Биохимическое самоочищение воды.

Биохимическое самоочищение является следствием трансформации веществ, осуществляемой гидробионтами. Как правило, биохимические механизмы вносят основной вклад в процесс самоочищения и только при угнетении водных организмов (например, под действием токсикантов) более существенную роль начинают играть физико-химические процессы. Биохимическая трансформация веществ происходит в результате их включения в трофические сети и осуществляется в ходе процессов продукции и деструкции.

Особенно важную роль играет первичная продукция, так как она определяет большинство внутриводоемных процессов. Основным механизмом новообразования органического вещества является фотосинтез. В большинстве водных экосистем ключевым первичным продуцентом является фитопланктон. В процессе фотосинтеза энергия Солнца непосредственно трансформируется в биомассу. Побочным продуктом этой реакции является свободный кислород, образованный за счет фотолиза воды. Наряду с фотосинтезом в растениях идут процессы дыхания с затратой кислорода.

Автотрофная продукция и гетеротрофная деструкция — две важнейшие стороны преобразования вещества и энергии в водных экосистемах.

Характер и интенсивность продукционно-деструкционных процессов и, следовательно, механизм биохимического самоочищения определяются структурой конкретной экосистемы. Поэтому они могут существенно различаться в различных водных объектах. Более того, в пределах одного водного объекта существуют различные зоны жизни (экологические зоны), отличающиеся сообществами населяющих их организмов. Эти отличия обусловлены сменой условий существования при переходе от поверхности к глубине и от прибрежных зон к открытым частям.

В водотоках в силу интенсивного перемешивания и небольших глубин вертикальная зональность не выражена.

По живому сечению потока различают:

рипаль — прибрежную зону,
медиаль — открытую зону, соответствующую стрежню реки.

Для рипали характерны невысокие скорости течения, заросли макрофитов, высокие значения количественного развития гидробионтов. В медиали скорости движения воды выше, количественное развитие гидробионтов ниже. По продольному профилю различают зоны плесов и зоны перекатов. В зоне плесов, характеризующихся замедленным течением, население количественно богаче, но качественно беднее. Для перекатов характерна обратная картина.

Комплексы экологических условий сказываются на процессах самоочищения в водотоках. Для замедленных течений характерны благоприятные условия для фотосинтеза, интенсивные процессы трансформации веществ, процессы осаждения. Для зон с повышенными скоростями характерны интенсивные процессы перемешивания, газообмена и деструкции веществ. В водоемах экологическая зональность проявляется отчетливее, чем в водотоках.

В водоемах по горизонтальному профилю выделяют:

литораль — зону прибрежных мелководий,
пелагиаль (лимническая зона) — зону открытой воды.

В глубоких водоемах в водной массе пелагиали по вертикали выделяют три зоны:

эпилимнион,
металимнион,
гиполимнион.

Металимнион, или термоклин, является зоной, разделяющей эпилимнион и гиполимнион. Он характеризуется резким снижением температуры воды (1 градус на 1 м глубины). Выше металимниона расположен эпилимнион. Для эпилимниона характерно преобладание продукционных процессов. С увеличением глубины, по мере снижения фотосинтетически активной радиации (ФАР) происходит уменьшение интенсивности фотосинтеза. Глубина, при которой продукция становится равной деструкции, называется компенсационным горизонтом. Выше него располагается трофогенная зона, где преобладают продукционные процессы, а ниже — трофолитическая, где преобладают процессы дыхания и разложения. Трофогенная зона находится в эпилимнионе, а трофолитическая, как правило, охватывает металимнион и гиполимнион.

В придонной зоне водоемов, кроме литорали, выделяют профундаль — глубоководную часть, примерно совпадающую с частью ложа водоема, заполненной водами гиполимниона.

Таким образом, в водоемах можно выделить зоны с преобладанием фотосинтетической продукции и зоны, где идут только процессы деструкции веществ. В гиполимнионе, особенно в зимний и летний периоды, часто наблюдаются анаэробные условия, что снижает интенсивность процессов самоочищения. Напротив, в литорали температурный и кислородный режимы благоприятны для интенсивного протекания процессов самоочищения.

Эвтрофирование, под которым понимают гиперпродукцию органического вещества в водном объекте под действием внешних (аллохтонных) и внутриводоемных (автохтонных) факторов, является одной из серьезных экологических проблем, с которой сталкиваются почти все развитые страны. Эвтрофированию подвержены практически любые водные объекты, однако наиболее ярко оно проявляется в водоемах. Эвтрофирование водоемов является природным процессом, его развитие оценивается геологическим масштабом времени. В результате антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты произошло резкое ускорение эвтрофирования. Итогом этого процесса, называемого антропогенным эвтрофированием, Шляется уменьшение временного масштаба эвтрофирования от тысяч лет до десятилетий. Особенно интенсивно процессы эвтрофирования протекают на урбанизированных территориях, что сделало их одним из наиболее характерных признаков, присущих городским водным объектам.

Трофность водного объекта соответствует уровню поступления органического вещества или уровню его продуцирования в единицу времени и, таким образом, является выражением совместного действия органического вещества, образовавшегося при фотосинтезе и поступившего извне. По уровню трофности выделяют два крайних типа водных объектов — олиготрофные и эвтрофные. Основные отличия этих двух типов водных объектов приведены в таблице 3.14.

Таблица 3.14. Характеристики олиготрофного и эвтрофного водоемов.

Характеристика	Состояние водоема
Характеристика	олиготрофное	эвтрофное
Физико-химические характеристики
Концентрация растворенного кислорода в гиполимнионе	Высокая	Низкая
Концентрация биогенных элементов	Низкая	Высокая
Концентрация взвешенных веществ	Низкая	Высокая
Проникновение света	Хорошее	Плохое
Глубина	Большая	Небольшая
Биологические характеристики
Продуктивность	Низкая	Высокая
Разнообразие видов гидробионтов	Небольшое	Большое
Фитопланктон:
биомасса	Небольшая	Большая
суточные миграции	Интенсивные	Ограниченные
цветение	Редкое	Частое
характерные группы	Диатомовые, зеленые водоросли	Зеленые, сине-зеленые водоросли

Основным механизмом естественного процесса эвтрофирования является заиливание водоемов. Антропогенное эвтрофирование происходит вследствие поступления в воду избыточного количества биогенных элементов, как результат хозяйственной деятельности. Высокое содержание биогенов стимулирует автотрофную гиперпродукцию органического вещества.

Результатом этого процесса является цветение воды вследствие чрезмерного развития альгофлоры. Среди поступающих в воду биогенных элементов наибольшее влияние на процессы эвтрофирования оказывают азот и фосфор, поскольку их содержание и соотношение регулирует скорость первичного продуцирования. Остальные биогенные элементы, как правило, содержатся в воде в достаточных количествах и не оказывают влияния на процессы эвтрофирования. Для озер лимитирующим элементом наиболее часто является фосфор, а для водотоков — азот.

Отнесение водного объекта к определенному уровню трофности осуществляется по поступлению органического вещества.

Поскольку указанный параметр на практике контролировать сложно, в качестве индикаторов трофического уровня используют другие характеристики водной экосистемы, тесно связанные с трофическим состоянием водоема. Эти характеристики называют индикаторными. Наиболее часто в современной практике в качестве индикаторов используют величины поступления биогенных веществ, концентрации биогенных веществ в водном объекте, скорость истощения кислорода в гиполимнионе, прозрачность воды, биомассу фитопланктона. Фитопланктон является основным первичным продуцентом в большинстве водных экосистем.

Поэтому экологическое состояние большинства водоемов определяется фитопланктоном и зависит от ряда физических, химических и биологических факторов среды обитания.