Дефицит кислорода в рыбохозяйственном водоеме. Углекислый газ. Сероводород.
Может возникать не только в результате усиленного его расходования на окислительные процессы, но и из-за угнетения фотосинтетических процессов в водоеме либо вследствие тех и других процессов вместе взятых. Весьма показательно в этом отношении загрязнение водоемов нефтью и нефтепродуктами. Они образуют на поверхности водоема пленку, препятствующую нормальному газообмену между водой и атмосферой. Одновременно с этим нефтяная пленка затрудняет доступ солнечных лучей к фитопланктону, угнетая тем самым фотосинтез. Наконец, нефть и нефтепродукты подвергаются биохимическому окислению с интенсивным расходованием кислорода, ведущим к его дефициту в водоеме.
Снижение интенсивности фотосинтеза фитопланктоном вызывают не только нефтепродукты, но и многие другие загрязнения, такие, как поверхностно-активные вещества (ПАВ), некоторые тяжелые металлы, многие пестициды. Ингибирующая способность нарастает в следующем порядке: нефть - детергенты — металлы (свинец, кадмий, медь, ртуть) — хлорорганические вещества. Эти вещества обладают к тому же выраженным токсическим действием на рыб и других гидробионтов. Многие гербициды и альгициды оказывают угнетающее действие на процессы фотосинтеза низших и высших водных растений, снижая тем самым образование кислорода и его содержание в водоеме.
Как показали наблюдения Л. П. Брагинского, глубина и длительность кислородной депрессии определяются природой и свойствами препарата, его концентрацией и биомассой растительных компонентов экосистемы водоема.
Нулевое содержание кислорода отмечается при поступлении гербицидов (монурон, диурон) в водоемы с большой биомассой макрофитов или при интенсивном развитии синезеленых водорослей.
По мнению ряда исследователей , массовое развитие синезеленых водорослей и их последующее отмирание и разложение, связанное с огромными расходами кислорода, также ведут к его дефициту в водоеме и является одной из причин гибели рыб в цветущих водоемах. Обстоятельное экспериментальное изучение этого вопроса, выполненное А. Я. Маляревской на сеголетках и годовиках окуня, годовиках судака, карася, язя и толстолобика, показало, что внесение в воду синезеленых водорослей и их токсиконов приводит к снижению содержания кислорода в аквариумах к моменту гибели рыб на 78,8 — 52,6% по отношению к исходному уровню.
При внесении различных концентраций синезеленых водорослей в аквариумы с рыбой выявлена обратно пропорциональная зависимость: чем больше водорослей поступает в аквариумы, тем меньше становится концентрация кислорода в воде. При внесении токсина синезеленых водорослей в концентрации, соответствующей 3,2 г/л синезеленых водорослей, содержание кислорода в воде остается близким к контролю. На основе этих данных А. Я. Маляревская приходит к выводу, что снижение концентрации кислорода в воде под влиянием синезеленых водорослей происходит прежде всего за счет усиленного потребления кислорода рыбой и процессами, вызываемыми синезелеными водорослями.
Пагубное действие на рыб дефицита кислорода, возникающего при поступлении в рыбохозяйственные водоемы сточных вод, содержащих органические загрязнители растительного или животного происхождения, а также при массовом развитии и отмирании синезеленых водорослей, отягощается появлением продуктов органического распада (сероводород, аммиак, метан) и увеличением концентрации углекислого газа.
Углекислый газ.
Основным источником поступления углекислого газа в воду являются гидробионты, которые выделяют его в процессе дыхания. Кроме того, углекислый газ образуется в качестве продукта органического распада при различных видах брожения и выделении из некоторых соединений. Лишь незначительная часть двуокиси углерода проникает в воду из атмосферы. Отсюда следует, что повышенное содержание органики естественного происхождения (например, при цветении водоемов) или поступающей в водоем со сточными водами приводит не только к снижению содержания кислорода в воде, но и к увеличению углекислого газа. В природных пресных водах концентрация двуокиси углерода составляет 2 — 5 мг/л, повышаясь иногда до 10 — 12 мг/л (летний период). В зимний период содержание углекислого газа в воде возрастает в несколько раз, достигая 20 — 40 мг/л и даже 60 — 70 мг/л.
Поступающий в воду углекислый газ (CO2) находится в растворенном состоянии, и только некоторая его часть (около 1%) взаимодействует с водой, образуя угольную кислоту ( Н2СO3), способную, однако, к диссоциации по схеме.
СО2 + Н2О ⇄ Н2СO3 ⇄ Н+ + НСO-3; НСО3- ⇄ Н+ + CO32-
Соотношение свободной угольной кислоты (СO2 + Н2СO3), ионов бикарбоната ( Н2СO-3) и карбоната (CO32-) меняется в зависимости от величины рН. В кислой среде при рН, равном 4,0, в воде присутствует только свободная углекислота, а ионы бикарбоната практически отсутствуют (рисунок 8). В интервале рН от 6 до 10 в воде в разных соотношениях имеются свободная углекислота и ионы бикарбоната, причем в слабощелочной среде (рН 8,37) ионы бикарбоната составляют 98% всей углекислоты. При дальнейшем увеличении щелочности (рН больше 10,5) резко нарастает количество ионов карбоната и углекислота представлена уже в основном карбонатами.
Иными словами, чем больше в воде свободной углекислоты, тем ниже величина рН, и наоборот. В кислой среде ионы карбоната превращаются в ионы бикарбоната за счет связывания ионов Н+, что ведет к повышению величины рН, сдвигая ее в щелочную сторону. Напротив, в щелочной среде вследствие диссоциации угольной кислоты ионы Н+ накапливаются, а величина рН снижается. При этом количество ионов карбоната увеличивается. Ионы бикарбоната и карбоната, вступая во взаимодействие с ионами щелочноземельных металлов, главным образом Са2+ и отчасти Мд2+, играют важнейшую роль в создании буферной системы, препятствующей резкому изменению величины рН в природных водах.
Повышение концентрации свободной угольной кислоты в воде пагубно отражается на нормальной жизнедеятельности рыб и может вызвать даже их гибель. Устойчивость рыб к углекислоте определяется многими факторами, важнейшими из которых следует признать температуру воды, ее жесткость и величину рН, а также видовые и экологические особенности рыб. Еще В. С. Ивлевым была установлена зависимость устойчивости рыб к токсическому действию углекислого газа от температуры воды (рисунок 9). Летальная концентрация СO2 для карпа при 30°С оказалась в два раза ниже (60 мг/л), чем при 1°С (120 мг/л).
Повышенную устойчивость молоди некоторых видов рыб (плотва, лещ, голец, уклея, окунь, ерш) к угольной кислоте при пониженных температурах (6 — 12°С) отметил И. Д. Купцис , который был, по-видимому, первым, кто изучал токсическое действие на рыб свободной углекислоты. В острых опытах, продолжавшихся всего 4 ч, уже через 1,5 ч все исследованные виды рыб теряли рефлекс равновесия и опрокидывались на бок при концентрации углекислоты около 300 мг/л, а через 2,5-4 ч все виды рыб погибали при концентрации 400 — 440 мг/л. Устойчивость рыб к свободной углекислоте в жесткой воде выше, чем в мягкой, по той простой причине, что ее количество в жесткой воде обычно невелико, поскольку кальций, магний и другие катионы быстро связывают свободную углекислоту. По данным Г. Д. Полякова , накопление свободной углекислоты в слишком мягкой воде может уменьшить рН воды и оказать тем самым угнетающее действие на рыб. Хотя остротоксичные концентрации углекислоты для большинства исследованных видов рыб довольно высокие, однако многие из них реагируют и на незначительное повышение содержания углекислоты в воде.
Так, Ф. Шел форд и В. Али установили, что рыбы обнаруживают и избегают воду, содержание углекислоты в которой составляет 20 мг/л. При концентрации углекислоты 30 — 35 мл/л снижается способность рыб эффективно использовать растворенный в воде кислород даже в том случае, если его концентрация составляет 4 — 5 мл/л. Механизм этого эффекта вполне понятен, если иметь в виду способность СO2 увеличивать кислотность крови и оказывать влияние на сродство гемоглобина с кислородом.
Выявлены четко выраженные экологические особенности устойчивости рыб к углекислому газу.
Виды, обитающие в водоемах с чистой, хорошо аэрированной водой, менее устойчивы к избытку угольной кислоты по сравнению с видами, живущими в заиленных и заросших водоемах. К первой группе рыб относятся лососевые, в частности различные виды форелей, а ко второй — многие виды карповых (карп, карась, линь). Первые признаки токсического действия углекислоты на форелей (учащенное дыхание, аритмия) отмечаются при концентрации 36 мг/л, против 55 — 73 мг/л у карпа и 110 — 128 мг/л у линя.
Потеря рефлекса равновесия и опрокидывание на бок или на спину у форелей наступает при концентрации углекислоты 100 — 147 мг/л, а у карпа и линя при концентрации 257 мг/л и 440 мг/л (соответственно). Наконец, летальные концентрации углекислоты для карасей и линей (200 мг/л) в 4 раза выше по сравнению с летальными концентрациями, выявленными для форели (45 мг/л). Правда, существует мнение, что токсичной для форели углекислота становится при более высоких концентрациях, порядка 55 — 80 мг/л, но даже и в этом случае пониженная устойчивость форелей по сравнению с карповыми остается вполне очевидной.
Рисунок 8. Соотношение Н2СО3, НСО3- и СО32- при разной величине pH.
Рисунок. 9. Зависимость летальной для карпа углекислоты от температуры воды.
Анализ имеющихся экспериментальных данных приводит к выводу, что концентрации 100 — 200 мг/л СO2 вызывают гибель большинства исследованных видов пресноводных рыб за короткий промежуток времени, однако даже при значительно более низких концентрациях СО2 (20 — 40 мг/л) наблюдается угнетение дыхания. Морские виды рыб еще менее устойчивы к избытку углекислоты, чем пресноводные холодолюбивые рыбы. Молодь сельди (Clupea harengus pallasi), например, гибнет в течение 160 мин при концентрации СO2 39 мг/л .
Оптимальные для жизнедеятельности рыб концентрации свободной двуокиси углерода находятся в диапазоне 1,5 — 5 мг/л.
Сероводород.
Поступающие в рыбохозяйственные водоемы органические загрязнения претерпевают в нем сложные биохимические превращения, в результате чего происходят интенсивное поглощение кислорода и образование высокотоксичных для рыб веществ. Одним из таких веществ является сероводород. Он выделяется при распаде органических веществ, содержащих белки растительного и животного происхождения. Сероводород оказывает отрицательное действие на жизнедеятельность гидробионтов двумя путями. Во-первых, он усугубляет дефицит кислорода в водоемах, загрязненных органикой, поскольку дополнительно снижает концентрацию кислорода, расходуемого на его окисление (ST2 S). Во-вторых, обладает высокой токсичностью для рыб (таблица 8).
Таблица 8. Концентрации сероводорода, вызывающие повреждение или гибель рыб.
Вид рыбы | Концентрация, мг/л | Время экспозиции, ч |
Форель | 0,86 | 24 |
Гольян | 1,0 | — |
Форель | 1,0 | 24 |
Карп | 3,3 | 24 |
Рыба * | 3,8 | 24 |
Золотая рыбка | 4,3 | 24 |
Ушастый окунь | 4,9-5,3 | 1 |
Золотая рыбка | 5,0 | 200 |
Рыба * | 5,0 | 1 |
Гольян | 5-6 | 24 |
Карп | 6,25 | 24 |
Карп | 8,12 | 24 |
Золотая рыбка | 10,0 | 96 |
Форель | 10,0 ** | 0,25 |
Золотая рыбка | 25 | 24 |
Рыба * | 100 | 3 |
* Вид не указан. ** В жесткой воде.
Из представленных в таблице 8 данных следует, что сероводород оказывает токсическое действие на пресноводных рыб в концентрации ниже 1 мг/л и что существуют четко выраженные видовые особенности устойчивости рыб к сероводороду. По данным Д. Бэлдинга, гибель ручьевой форели наступает в течение 24 ч при концентрации Н2 S 0,86 мг/л (0,81 мг/л S), а карпы и золотые рыбки погибали лишь при концентрации 3,8 — 6,25 мг/л. Г. В. Никольский приводит материалы, свидетельствующие о еще более существенных различиях в устойчивости карповых и лососевых рыб к сероводороду.
Так, например, линь и карась погибают через 8 — 10 суток после 3-часового выдерживания в воде с содержанием сероводорода 1:10000, а форель погибает через 15 мин в растворе сероводорода 1:100000. С экологической точки зрения столь резкие различия в уровне устойчивости к сероводороду двух сравниваемых групп рыб вполне понятны. Линь, карась, карп, обитающие в слабопроточных водоемах с повышенным содержанием органических веществ, систематически встречаются с повышенным содержанием как углекислоты, так и сероводорода и у них сформировались адаптационные механизмы, определяющие способность кратковременно выдерживать повышенные концентрации H2S.
В противоположность этой группе рыб различные виды форелей, обитающие в чистых, хорошо проточных водоемах, в естественных условиях не встречаются с сероводородом и потому характеризуются чрезвычайно низкой устойчивостью к нему.
Токсичность солей сероводородной кислоты примерно одинакова с токсичностью сероводорода.
Минимальная детальная концентрация сульфида натрия для гольянов и радужной форели равна 2 мг/л (0,82 мг/л S). Несколько более токсичен сульфид аммония — (NH4)2S, вызывающий гибель рыб уже при концентрации 0,2 мг/л. Эти данные подтверждают выводы Л. Крейтмана , согласно которым (NH4)2S менее токсичен, чем NH4HS, но несколько более токсичен, чем H2S.
Устойчивость рыб к сероводородной кислоте и ее солям зависит от ряда абиотических факторов водной среды, таких, как жесткость, величина рН и температура. В жесткой воде, например, токсический эффект 10 мг/л сероводорода проявляется на 4-е сутки, а в мягкой воде золотая рыбка повреждается в течение 34 ч при концентрации сероводорода 4,3 мг/л . Установлено, что токсическими свойствами обладает недиссоциированный сероводород, концентрация которого в воде определяется величиной рН. В кислой среде, при рН 5,0 в недиссоциированной форме находится почти весь сероводород (99%), а в щелочной (рН 9,0) — только 1%.
При рН, равном 6,7, наступает динамическое равновесие между диссоциированной и недиссоциированной формами сероводорода (примерно по 50%). Отсюда следует, что устойчивость рыб к сероводороду и сульфидам в кислой среде значительно ниже, чем в щелочной. Так, при изменении величины рН с 8,2 до 5,2 токсичность сульфидов возрастает почти в 16 раз (8,0 и 0,55 мг/л соответственно).
