Владимир Базылев - Основы общей и экологической токсикологии Страница 18

Основным ограничивающим фактором «цветения» сине-зеленых водорослей является уменьшение сброса биогенных веществ (в основном фосфора) в водные экосистемы.

Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной экологической проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод, контролю за эвтрофированием водоемов земного шара.

Основными критериями для характеристики процесса эвтрофирования водоемов являются:

– уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще;

– увеличение концентрации биогенных веществ;

– увеличение содержания взвешенных частиц, особенно органического происхождения;

– последовательная смена популяций водорослей с преобладанием сине-зеленых и зеленых водорослей;

– уменьшение проникновения света (самозатенение, возрастание мутности воды);

– увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;

– значительное увеличение биомассы фитопланктона (при уменьшении разнообразия видов) и т. д.

Отношение общего азота к общему фосфору в водоеме указывает на степень эвтрофирования его водной экосистемы. Для сильно гумифицированных внутренних водоемов Nобщ. :Pобщ. имеет порядок 100 и более; для самых чистых олиготрофных и мезотрофных озер – 30 – 40; для эвтрофных водоемов, находящихся под очевидным антропогенным воздействием, – 15 – 25; для гипертрофных водоемов – 12 – 18 (до 3 – 5).

Из множества индикаторов, которыми можно отразить трофическое состояние водоемов, наиболее приемлемы как для прямой спецификации соответствующих категорий трофности, так и для построения математических моделей, следующие:

1) Поступление специфических биогенных веществ.

2) Концентрация биогенных веществ. В настоящее время принятыми критическими концентрациями азота и фосфора (включая общий фосфор, ортофосфаты, общий азот и растворенный неорганический азот – аммоний, нитриты и нитраты) во время интенсивного перемешивания вод, при котором создаются потенциальные условия для цветения водорослей, являются следующие: для фосфора – 0,01 г/м3, для азота – 0,3 г/м3. При более низких концентрациях будет иметь место азотное лимитирование развития водорослей, однако такие концентрации трудно измерить точно.

3) Скорость истощения кислорода в гиполимнионе (гиполимнион – глубинный слой воды в водоеме, залегающий ниже слоя температурного скачка – термоклина). С развитием эвтрофирования пропорционально увеличиваются потери кислорода в водах гиполимниона. Скорость этого истощения используется как индикатор трофического состояния, так как она имеет короткопериодную изменчивость. Этот индикатор может применяться только для характеристики стратифицированных водоемов. Предложены следующие пределы этого индикатора для разных по трофности водоемов: олиготрофные – менее 250 мг/(м3 ⋅ сут); мезотрофные – 250 – 500 мг/(м3 ⋅ сут); эвтрофные – более 550 мг/(м3 ⋅ сут).

4) Глубина видимости диска Секки. Это наиболее широко используемый (из-за простоты оценки) самый старый метод приближенной оценки трофического состояния водоемов. Диск Секки – стандартный по размеру (200 мм в диаметре) диск с черно-белыми секторами, который опускают в воду до глубины исчезновения его видимости. Эта глубина регистрируется, и диск поднимают вверх;

глубина, на которой диск начинает быть снова видимым, также регистрируется. Глубина, соответствующая видимости диска Секки, является средней из двух ее вышеуказанных значений. Глубина видимости диска Секки обратно пропорциональна плотности популяций водорослей в воде, так как взвешенное вещество будет рассеивать падающий свет и увеличивать его ослабление. Таким образом, глубина видимости диска Секки в воде связана с первичной продуктивностью вод, которая является показателем трофического состояния водоема: олиготрофные водоемы – более 6,0 м; мезотрофные – от 3 до 6,0 м; эвтрофные – менее 3 м.

В качестве прямого индикатора трофического состояния обычно используется концентрация хлорофилла a. Хлорофилл а (C55H72O5N4Mg) является основным фотосинтетическим пигментом, поэтому измеренное значение его концентрации в пробе воды является репрезентативным индикатором биомассы водорослей. Он является полезной и точной мерой эвтрофирования водоемов и поэтому регулярно используется при измерении «откликов» водоемов на биогенную нагрузку с целью их восстановления.

Основная трудность заключается в том, что концентрация хлорофилла а увеличивается незначительно при его содержании свыше 100 мг/м3 независимо от увеличения концентрации биогенных веществ, так как самозатенение приостанавливает дальнейший рост первичных продуцентов.

Пять определений граничных концентраций хлорофилла a для олиготрофного, мезотрофного и эвтрофного состояний водоемов суммированы в табл. 2.9, а в табл. 2.10 приведена иная шкала трофических уровней.

Таблица 2.9

Фиксированные категории трофического состояния по литературным обобщениям

(Хендерсон-Селлерс Б., Маркленд Х. Р., 1990)

Таблица 2.10

Шкала трофических уровней по литературным обобщениям

Закисление (ацидификация) водоемов

Широко известный ныне термин «кислотные дожди» появился в 1872 г. Его ввел в практику английский инженер Роберт Смит, опубликовавший книгу «Воздух и дождь: начала химической климатологии». Детальными и по-настоящему научными исследованиями кислотных дождей стали заниматься только в конце 1960-х гг.

О вредном воздействии кислотных дождей свидетельствуют следующие примеры. В Канаде из-за частых кислотных дождей более 4000 озер превратились к кислотные водоемы, а 12 000 озер находятся на грани гибели. В Швеции в 18 000 озерах нарушено биологическое равновесие. Кислотные дожди наносят большой урон и лесам: в ФРГ и некоторых районах Швейцарии погибла 1/3 всех елей. При анализе соединений, которые являются предшественниками кислотных дождей, а также при определении интенсивности кислотных дождей необходимо учитывать не только антропогенные источники, т. е. обусловленные сознательной деятельностью человека, но и природные источники, например лесные массивы, поскольку они в процессе газообмена выделяют значительное количество органических веществ. Имеет значение и степень урбанизации отдельных регионов, например, выделяемый из антропогенных источников аммиак может существенно влиять на нейтрализацию кислотных компонентов. При этом вследствие загрязнения воздуха природными источниками сокращение промышленных выбросов не всегда может дать требуемый положительный эффект.

К основным загрязнениям атмосферы, которые являются источниками образования кислотных дождей, относятся диоксид серы (SO2), оксиды азота (в основном оксид азота NO и диоксид азота NO2) и летучие органические соединения.

В состав летучих органических соединений входят реакционноспособные алканы – 50 % (пропан, н-бутан и более высокомолекулярные), олефины – 23 % (этилен, пропилен и др.), ароматические углеводороды – 18 % (бензол, ксилолы и др.), альдегиды и кетоны – 8 %(формальдегид, ацетон и др.), органические кислоты – 1 % (муравьиная, уксусная и др.).

Летучие органические соединения, в отличие от оксидов серы и азота, поступают в атмосферу главным образом из природных источников (65 % от общего количества). Основной природный источник этих веществ – растения, в результате жизнедеятельности которых образуются непредельные соединения – терпеновые углеводороды и производные изопрена. Они активно участвуют в химических реакциях, протекающих в атмосфере, способны взаимодействовать с озоном и гидроксильными радикалами, инициируют химические реакции, в результате которых образуется целый ряд продуктов. Из природных источников выделяется более 90 % летучих органических соединений; количество их возрастает при повышении температуры и интенсивности солнечного освещения, т. е. летом их значительно больше, чем зимой. В некоторых районах, особенно в городских, загрязнения такого типа поступают в основном из антропогенных, а не из природных источников.

Атмосферу можно рассматривать как огромную окислительную систему с высоким содержанием основного окислителя – кислорода. Соединения, содержащие атомы C, H,SиNприродного и антропогенного происхождения, попадая в атмосферу, превращаются в стабильные долгоживущие соединения (например, СО2)иливкороткоживущие соединения кислотного характера (оксиды азота и серы), которые участвуют в жидкофазных процессах с образованием кислот, удаляемых из атмосферы с осадками. Это и есть кислотные дожди.

В этих превращениях кроме кислорода участвуют озон О3, гидроксильный радикал НО*, гидропероксидный радикал НО2*, органические пероксидные радикалы (ROO*), пероксиацетилнитрат (ПАН), пероксид водорода (Н2О2), нитрат-ион . Наиболее реакционноспособный гидроксильный радикал НО*, он участвует в окислении оксидов азота и серы в азотную и серную кислоты: