Лекция 1

Понятие гидроэкологии  Гидроэкология (экологическая гидробиология) как наука "изучает население гидросферы во взаимосвязи с окружающей средой и биологические явления в водоемах, возникающие в результате взаимодействия различных живых компонентов друг с другом и с неживой природой" [Константинов, 1979].

Это раздел общей или фундаментальной экологии – науки-мировоззрении о взаимодействии живой и косной (неживой) материей, закономерностях их развития в естественных и измененных человеком условиях в пространстве и во времени, направленная на рациональное природопользование и охрану окружающей среды.

  

Экосистема – природный, природно-антропогенный или антропогенный комплекс с естественными границами, образованный сообществами живых организмов и окружающей их средой обитания, к коором живые и косные компоненты связаны между собой обменом вещества, энергией и информацией и объединяются в единое функциональное целое.

Термин «гидроэкосистема" можно отнести к объекту любого ранга - от отдельной точки отбора пробы до всего Мирового океана, - менее строгий и более универсальный, а следовательно, более удобный в общетеоретических рассуждениях, чем гидробиоценоз.

экосистема• Живые организмы и их неживое (абиотическое) окружение нераздельно связаны

друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии. Они обмениваются веществом, энергией, информацией.

• С точки зрения энергетического обмена любое единство, включающее все организмы (т. е. «сообщество») на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ (т.е. обмен веществами между биотической и абиотической частями) внутри системы, представляет собой экологическую систему, или экосистему. Климатический режим (температура и другие физические факторы) контролирует состав и функционирование экосистемы.

• С точки зрения трофических (от греч. трофе — питание) отношений экосистема имеет два компонента (которые обычно частично разделены во времени и пространстве):

Два компонента экосистемы:

1. Автотрофный компонент (автотрофный — самостоятельно

питающийся) Для него характерны фиксация световой

энергии, использование простых неорганических веществ – биогенов и построение сложных веществ.

2. Гетеротрофный компонент (гетеротрофный — питаемый другими)

Для него характерны утилизация, перестройка и разложение сложных веществ.

Компоненты:

1. неорганические вещества (С, N, СО2, Н2О и т. д.), включающиёся в круговороты, но органогенные, то есть входят в состав

органических веществ;2. органические соединения (белки, углеводы, липиды, гуминовые вещества

и т. д.), связывающие биотическую и абиотическую части; 3. продуценты — автотрофные организмы, главным образом зеленые

растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;

4. макроконсументы, или фаготрофы (от греч. фагос — пожирающий), — гетеротрофные организмы, главным

образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;

5. микроконсументы, сапротрофы (от греч. сапро — разлагать), или осмотрофы или редуценты (от греч. осмо — проходить через

мембрану), гетеротрофные организмы, использующие для питания органические

соединения мертвых тел или выделения (экскременты) животных, которые разрушают сложные соединения мертвой протоплазмы, поглощают продукты разложения и высвобождают неорганические питательные вещества, пригодные для использования продуцентами, а также органические вещества, способные служить источниками энергии.

Пищевая сеть каспийских гидробионтов

по Л.А. Зернову.

1 – судак, 2 – тюлень, 3 – хищные рыбы, 4 – «мирные» сельди, 5 – крупные ракообразные,6 – мелкие ракообразные, 7 – мелкий зоопланктон, 8 - фитопланктон

Пирамида энергий, иллюстрирующая снижение количества энергии по мере перехода от низких уровней потребления к верхним

Экологическая пирамида Северного моря , по Ю.П. Зайцеву.

Консумент третьего порядка – треска

Скорость круговорота различных веществ в биосфере

• Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет.

• В океане циркуляция идет во много раз быстрее: вся масса живого вещества в среднем обновляется за 33 дня, а масса фитопланктона - каждый день.

• В атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа — за 6,3 года.

• Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, исчисляется

5—6 млн лет.

• Состав морской воды и донных илов моря в значительной мере определяется активностью морских организмов. Чистота морских вод - во многом результат фильтрации, осуществляемой разнообразными организмами, но особенно зоопланктоном. Большинство из этих организмов добывает пищу, отцеживая из воды мелкие частицы.

• Работа их настолько интенсивна, что весь океан очищается от взвеси за 4 года.

• Байкал исключительной чистотой своих вод во многом обязан веслоногому рачку эпишуре, который за год трижды процеживает его воду.

• Предложенная Лавлоком гипотеза Геи указывает на важность изучения и сохранения регулирующих механизмов, которые позволяют биосфере приспособиться по крайней мере к некоторому количеству не сосредоточенных в одной точке загрязнений, например загрязнений двуокисью углерода, «теплом», окислами азота и т. д. Соответственно, стремясь всеми средствами снизить уровень загрязнения, человек должен также сохранять целостность и крупномасштабность буферной системы жизнеобеспечения.

ПРИНЦИП ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ

• Принцип эквивалентности расширяет трактовку понятия устойчивости биосферы: биосфера может считаться устойчивой, если возникающие в ней экосистемы будут по основным средообразующим функциям эквивалентны старым.

• Течения водоворота формируют сразу два мусорных образования, известных как Восточный и Западный тихоокеанские мусорные участки – а вместе их иногда называют Великим тихоокеанским мусорным участком. 

http://lol54.ru/uploads/posts/2009-05/1242193002_007.jpg

Разнообразие сточных вод принято подразделять на:

• технологические, возникающие в технологических процессах предварительной мойки, промежуточных и финишной промывках, а также при использования воды в качестве технологического растворителя, носителя, либо хладагента;

• хозяйственно-бытовые (или коммунальные), образующиеся в хозяйственно-бытовом секторе, а также в сфере общественного питания и санитарно-гигиенического обслуживания;

• поверхностные, формирующиеся при мокрой уборке территорий и объектов с искусственными покрытиями (асфальтированными, бетонными и т.п.), за счет плоскостного смыва поллютантов с атмосферными осадками и талыми снеговыми водами с территорий городов, населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий и угодий, лесных хозяйствах.

• Большую роль в загрязнении вод суши и океана играют вещества, выпадающие из атмосферы с осадками: соединения оксидов углерода (СО), азота (NOx) и серы (SOx), углеводороды (CnHm), взвешенные вещества - пыль и аэрозоли в виде сульфатов аммония (NH4)2SO4, а также тяжелых металлов (ртуть, свинец, кадмий, олово, селен, теллур, и др.) и их соединений.

Основные химические загрязнители, поступающие в водоемы суши с промышленных предприятий:

• неразлагающиеся или очень медленно разлагающиеся в природной воде вещества (ионы металлов, минеральные соли, СПАВ и т.д.);

• водорастворимые вещества, не вовлекаемые в биологический круговорот, в том числе токсичные;

• легкоусвояемые органические соединения (биогенные вещества).

Эвтрофикацией называется процесс ухудшения качества воды из-за избыточного поступления в водоем так называемых «биогенных элементов», в первую очередь соединений азота и фосфора. Эвтрофикация — нормальный природный процесс, связанный с постоянным смывом в водоемы биогенных элементов с территории водосборного бассейна. Однако в последнее время на территориях с высокой плотностью населения или с интенсивно ведущимся сельским хозяйством интенсивность этого процесса увеличилась многократно из-за сброса в водоемы коммунально-бытовых стоков, стоков с животноводческих ферм и предприятий пищевой промышленности, а также из-за смыва избыточно внесенных удобрений с полей.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 редко 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».4. 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 120 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.

Цветение и организмы, вызывающие цветение воды

• Окрашенные организмы планктона, образуя скопления, изменяют цвет воды – это явление называется цветением воды. Вода окрашивается в зеленые, сине-зеленые, коричневые, бурые и красные тона. Цветение охватывает огромные территории. Синезеленые водоросли родов Aphanizomenon и Rivularia вызывают цветение вод Балтийского и Азовского морей. Массовые скопления красной циановой водоросли Trichodesmium erithreum окрашивают воды Красного моря.

• Не меньшего размаха достигает цветение и в пресных водах. Здесь преобладает зеленое и синезеленое цветение, о

• бусловленное развитием зеленых и синезеленых водорослей, особенно в южных широтах. В течение года окраска пресных вод характеризуется широким диапазоном оттенков. Например, балтийские озера прозрачны зимой, к маю они окрашиваются в желтовато-коричневые тона из-за огромного количества диатомей; летом озера становятся зелеными или синевато-зелеными из-за развития синезеленых водорослей, другие – желтовато-коричневыми от массы жгутиковых Ceratium; осенью вода в этих озерах опять желтовато-коричневая за счет диатомей.

• Во время цветения воды количество жгутиковых и синезеленых водорослей достигает миллионов клеток в 1 мл. Летом 1966 года биомасса синезеленой водоросли афанизоменон на Днепровском водохранилище достигла 36 кг на 1 м3, а размеры пятен характеризовались несколькими км в длину и сотнями метров в ширину. Это создает помехи в водоснабжении, забиваются и выходят из строя фильтры и водопроводных станций.

• Кремневые панцири диатомей буквально стачивают толстые решетки на водозаборах.• Часто массовые виды водорослей сообщают воде неприятные запахи и привкусы.

Например, источником рыбного запаха является диатомовая водоросль стефанодискус. В некоторых случаях выделения организмов, вызвавших цветение воды, токсичны для рыб и наземных животных, тогда начинается падеж скота, массовая гибель рыбы, болеют люди.

Запахи, вызываемые фитопланктоном • Asterionella— слабо выраженный землистый, при значительных количествах

— запах герани, при больших количествах — сильный рыбный запах;• Tabellaria— ароматичный, гераниевый, рыбный;• Pandorina— рыбный;• Eudorina— слабый рыбный;• Anabaena— запах плесени или травы, при дальнейшем росте —

настурций, при разложении водорослей— свиного хлева;• Aphanizomenon— плесени, настурций, травы;• Coelosphoerium— свежей травы;• Ceratium— зловонный;• Dinobryon— фиалки, ароматный, рыбный;• Peridinium—рыбный, устричный;• Synura— огуречный, рыбный;• Uroglenopsis— рыбьего жира, рыбный;• Cryptomonas—приторно фиалковый;• Mallomonas— фиалки, ароматный, рыбный.

Самоочищение загрязненных вод осуществляется в результате биологического круговорота веществ, включающего процессысоздания органических веществ, их трансформацию и разрушение, осуществляемые через трофические (пищевые) связи бактериального, животного и растительного населения вод. Именно благодаря свойству природных водоемов самоочищаться от попадающих в них бытовых и промышленных стоков на Земле еще есть чистая вода. Формирование биологически чистой (полноценной) воды, не содержащей токсических и радиоактивных веществ, патогенных микроорганизмов, имеющей все необходимые соли, микроэлементы и метаболиты, протекает под влиянием гидробионтов.Биологически полноценной считается вода, которая содержит не только все соли и микроэлементы, но также белки, ферменты, витамины и другие продукты Жизнедеятельности гидробионтов.

Таблица. Динамика отмирания микобактерий туберкулеза в результате внесения альгологического полинокулята в биологические пруды туберкулезного санатория

Место проведения эксперимента

Вода Исходное количество бактерий

Продолжительность экспозиции в сутках

T, oC рН 3 6 9 12 14

Сентябрь

Опытный пруд 20 7,6 11000 740 32 6 0 0

Контрольный пруд 12000 900 720 900 510 600

Октябрь

Опытный пруд 15 7,4 580 126 17 16 17 0

Контрольный пруд 820 610 450 125 250 200

Управление процессами самоочищения, основанными на взаимоотношении бактерий и водорослей.

Управление процессами самоочищения водоема, основанными на разведении высшей водной растительности.

• Для увеличения сроков контактирования загрязнений с биоценозом водных экосистем при проточном режиме биоинженерные сооружения имеют соотношение длины к ширине не менее 4:1 или 5:1, а занятая высшими водными растениями поверхность составляет не менее 40-60%. Результаты исследований, выполненных для решения водоохранных задач Среднего Поволжья и сопредельных территорий, предлагаются к применению и в других районах РФ в виде [Морозов, 2003]:

• • биоинженерных сооружений по перехвату, сбору, очистке и обезвреживанию природных и сточных вод, загрязненных нефью, нефтепродуктами и сопутствующими веществами многочисленных нефтепромыслов, предприятий переработки нефти и ее продуктов и приравненных к ним хозяйств в различных климатических зонах и территориях;

• • специальных комплексных, гидротехнических и естественно-биологических схем обессоливания и детоксикации стоков от разнообразных солей, ядохимикатов, тяжелых металлов и других токсичных соединений с переводом их в безвредные продукты;

• • технологических схем глубокой очистки диффузного поверхностного стока, смываемого с сельскохозяйственных угодий и других территорий, включая населенные пункты на малых реках, водотоках и водохранилищах, которые способствуют сбору и утилизации рассеянных загрязнений, защите основных водных ресурсов от засоления, деградации и истощения;

• • очистных и доочистных сооружений животноводческих комплексов (свинокомплексов, ферм крупного рогатого скота, птицефабрик и звероферм), обеспечивающих подготовку их сточных вод до норм оборотного водоснабжения, полива (орошения) любых сельскохозяйственных культур и выращивания рыбной продукции;

Управление процессами самоочищения водоема, основанными на фильтрационной и седиментационной

активности животного населения водоемов • Чистота вод - во многом результат фильтрации и

седиментации, осуществляемой зоопланктоном и бентосом - ракообразными, моллюсками личинками комаров и др. Большинство из этих организмов добывает пищу, отцеживая из воды взвеси, отчасти транспортируя ее в грунт в виде фекальных и псевдофекальных комочков, способствуя захоронению вредных веществ в грунте. Работа их настолько интенсивна, что Байкал исключительной чистотой своих вод во многом обязан веслоногому рачку эпишуре (Epischura baicalensis), который за год трижды процеживает всю воду озера.

• Благодаря способности беспозвоночных и рыб накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк, радиоактивные элементы) их концентрация в тканях может в сотни тысяч раз превосходить содержание в воде. Благодаря этому многие из них полезны как источник микроэлементов, но вместе с тем употребление их в пищу может грозить отравлением тяжелыми металлами или быть опасным.

• Некоторые весьма распространенные токсиканты (в частности, хлорорганические пестициды), накапливаются и перераспределяются в трофических цепях, причем в высших звеньях (хищные рыбы, рыбоядные птицы) их концентрации могут превышать исходные значения в водной массе на пять-шесть порядков или, иначе говоря, коэффициенты накопления могут выражаться величинами порядка 104—106. Возникает парадоксальная ситуация: при "чистой" по всем показателям воде, уровень токсической загрязненности всей экосистемы может быть достаточно высоким, что определяет реальную опасность вредных последствий в ходе народно-хозяйственного использования водоема [Брагинский, 1981].

Управление процессами самоочищения водоемов и повышения их

продуктивности, основанными на трофических связях.

• Крайне эффективным средством борьбы с зарастанием каналов оказались растительноядные рыбы, в частности питающийся макрофитами белый амур и белый толстолобик. Например, вследствие бурного зарастания участка Каракумского канала, особенно ниже Келифского водохранилища, приходилось проделывать за вегетационный период свыше 10 тыс. км проходок механизмами, удаляющими из русла канала мягкую водную растительность. Теперь зарастание предотвращается исключительно самопроизводящими стадами белого амура.

Управление процессами самоочищения водоема, основанными на

создании биоинженерных систем на берегах и пляжах. • Создание песчаных и гравийных пляжей в межбунных пространствах. По подсчетам Учинской

лаборатории Московского водопровода [Францев, 1972], только откос пляжа при высоте волны 20 см фильтрует в час 120 м3 воды на 1 км берега – крупный фактор самоочищения. Эта цифра заметно увеличивается, если учесть очистку песчаным мелководьем, прилегающим к пляжу. В межбунных пространствах, кроме того, задерживается и на месте минерализуется много загрязнений. Одновременно вместо размытой глины и почвы создаются прекрасные пляжи для купальщиков, а вносимые ими загрязнения ликвидируются на месте. Разрушение органических веществ и ускоренная их минерализация осуществляется на искусственно созданных песчаных и мелкогравийных мелководьях на водохранилищах и перекатах на каналах.

• Создание биоинженерных систем защиты от разрушения берегов, поступления и для обезвреживания поверхностного стока, смываемого с прилегающих территорий, основаны также на применении биологических фильтрующих заслонов, включающие отдельные виды высших водных растений – тростника обыкновенного (Phragmites communis Trin)., рогоза узколистного (Typha angustifolia L.), рогоза широколистного (Typha latifolia L), камыша озерного (Scirpus lacustris L. и др.), кустарников и деревьев Salix fragilis L., ивы остролистной (S. acutifolia Willd), ракит (S. сaprea, S. Abbo L.), ивы пятитычинковой (S. pentandra L.), ольхи серой или белой (Alnus incana (L.) Moench) [Морозов, 2003]. Значительное уменьшение поступления органических веществ с берегов достигается путем раскорчевки и залужения 15 метровой полосы вдоль берега и посадки 2-3–рядной еловой лесозащитной полосы, поскольку опад вечнозеленой древесной растительности, по сравнению с широколиственной минимален.

• Для стабилизации берегов и сокращения эрозии весьма эффективна древесная растительность как при нормальном уровенном режиме стока, так и при паводках и наводнениях [Геер и др., 2002]. На малых равнинных водоемах влияние растительности на морфологию берегов может быть определяющей: прибрежная растительность замедляет скорости течения, задерживает влекомые наносы (перегораживая течение и удерживая наносы листвой) и, таким образом, снижая боковую и русловую эрозии, связывает почво-грунты и делает их устойчивыми к водной эрозии

К другим способам управления процессами самоочищения водоема и повышения их биопродуктивности относятся:

• регулирование цветения в водоеме с использованием антагонизма высших растений и планктона,

• улучшение кислородного режима водоема путем создания перепадов,

• уменьшение поступления органических веществ с берегов путем раскорчевки и залужения 15-метрового участка вдоль берега и затем посадки двух-трех-рядной еловой лесозащитной полосы,

• разработка биологически целесообразных конструкций каналов, водохранилищ, водозаборных сооружений и др.

Сформулируем некоторые выводы из изложенного:

• Экосистема — центральный объект изучения и главное понятие экологии;

• биосфера служит не просто источником ресурсов для человека и приемником отходов его производства и жизнедеятельности - это гораздо более сложная система, фундамент жизни, в которой сама биота обеспечивает стабильность окружающей среды;

• биосфера обладает предельной хозяйственной емкостью; существует верхний порог этой емкости, превышение которого нарушает устойчивость биоты и окружающей среды;

• в пределах хозяйственной емкости биосфера и земные экосистемы выполняют принцип Ле-Шателье[1], быстро восстанавливают все нарушения окружающей среды, и последняя остается устойчивой; способность восстановления в абсолютных величинах, как и предел хозяйственной емкости, меняются от ландшафта к ландшафту в зависимости от продуктивности биоты: в пустынях эта способность наименьшая, а в лесах - наибольшая;

• превышение хозяйственной емкости приводит к прекращению выполнения принципа Ле Шателье биотой, быстрому и все большему размыканию биотического круговорота веществ, искажению геохимических балансов в экосистемах, что, в конечном счете, ведет к загрязнению окружающей среды;

] Принцип Ле Шателье: изменение любых переменных в системе в ответ на внешние возмущения происходит в направлении компенсации производимых возмущений. В теории управления аналогичное явление носит название отрицательных обратных связей. Благодаря этим связям система возвращается в первоначальное состояние, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Таким образом, гомеостаз, устойчивость экосистемы, оказывается явлением не статическим, а динамическим.

• нарушения окружающей среды ведут к трансформации экологических ниш и, как следствие, гибели многих видов организмов;

• природа с нашей разумной помощью может справиться с удовлетворением разнообразных нужд человека и с переработкой отбросов производства, но она не имеет гомеостатических механизмов; которые позволили бы справиться с агропромышленным загрязнением воздуха, воды и почвы, которое трудно ограничивать, пока вне контроля остается само человечество;

• человек именно как геологический фактор, а не как представитель животного мира, находится под сильным воздействием положительной обратной связи (накопление знаний, поиск новых источников энергии), которой поэтому рано или поздно должна быть противопоставлена отрицательная обратная связь. В этот переломный момент, в т.н. точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние хаотическим или оно перейдет на новый, более высокий уровень организации. Бифуркация – это импульс к развитию биосферы по новому, неведомому пути. Какое место займет в ней человеческое общество – это предмет специальных исследований. О судьбе биосферы можно не беспокоиться, она продолжит свое развитие.

• главной задачей человека является сохранение и восстановление естественных сообществ организмов в таких масштабах, чтобы вернуться в пределы хозяйственной емкости биосферы в целом; только при этом условии прекратится трансформация окружающей среды, будет обеспечена ее стабильность;

• пределом роста человечества служит хозяйственная емкость экосистем и биосферы в целом, верхним порогом которой является перевод в антропогенный канал более 1 % чистой первичной продукции биоты (фотосинтеза); нарушение этого порога ведет к дестабилизации окружающей среды и распаду генома человека, а следовательно, к исчезновению его как вида; процесс этот инерционный, на суше еще сохраняются достаточно обширные территории с ненарушенными естественными сообществами, которые могут стать центрами восстановления стабильности окружающей среды, а человеческая популяция, как и популяции других видов, обладает мощным механизмом восстановления нормального генома;

• для решения проблем окружающей среды важно осознать, что опасный порог уже перейден, этика поведения человека должна заключаться в использовании механизмов устойчивости биосферы в целях сохранения цивилизации.

• Если понимание сущности экологических систем и моральной ответственности людей будет идти в ногу с ростом влияния человека на среду, то современное стремление к «неограниченной эксплуатации ресурсов» уступит место «неограниченной изобретательности ради поддержания постоянного возобновления ресурсов».