загрузка...

Роль отдельных групп гидробионтов в самоочищении водоемов

БАКТЕРИИ

Поступающие в водоем органические вещества, равно как и образующиеся в нем в результате синтеза первичной продукции, подвергаются воздействию со стороны всех групп гидробионтов. Основную роль в минерализации органических соединений играют бактерии.

Бактериальное население водоема делится на аллохтонное,. т. е. поступающее извне, и автохтонное, присущее водоему аллохтонные бактерии вносятся в водоем с дождевым стоком, а также со сточными и очищенными водами. Среди них преобладают сапрофитные формы, но могут быть и болезнетворные микроорганизмы. В тех случаях, когда аллохтонная микрофлора находит в водоеме благоприятные условия для жизни, наблюдается увеличение ее количества. Но чаще бактерии, попадая в необычные для них условия водоема, постепенно отмирают. Скорость отмирания:

зависит от температуры, от обеспеченности питательными веществами и от других причин. В зимний период сроки бактериального самоочищения водоемов затягиваются и, следовательно, возрастает опасность распространения патогенных микроорганизмов. Это необходимо учитывать в проектных решениях, при определении необходимой степени очистки сточных вод.

Общее число бактерий, определяемое прямым счетом, почти всегда выше микробного числа (гл. XVII). В общее число, помимо сапрофитов, растущих на мясо-пептонных средах, входят и другие гетеротрофы, все литотрофы и специфические виды, не поддающиеся культивированию в лабораторных условиях при использовании стандартных методов.

Автохтонные сапрофиты интенсивнее всего развиваются преимущественно в водоемах эвтрофного типа. В этих водоемах наблюдается интенсивный прирост бактериальной биомассы, сопровождающийся деструкцией органического вещества. С увеличением степени эвтрофикации озера заметно снижается отношение общего числа бактерий к числу сапрофитов. Это вполне естественно, так как именно в эвтрофных водоемах лучше условия питания для гетеротрофных бактерий.

Гетеротрофные бактерии, не входящие в микробное число,— это целлюлозоразлагающие бактерии Cytophaga и Sporocytophaga, многие эпифитные (постоянно живущие на растениях) бактерии; из анаэробных форм—клостридии, сбраживающие пектин, крахмал и другие углеводы. Так как в водоемах содержится много растительных остатков, то роль этих микроорганизмов в деструкции органического вещества весьма велика.

Литоавтотрофные формы представлены в водоеме нитрифицирующими, сероокисляющими бактериями и железобактериями. В иловых отложениях встречаются метановые сульфатвоестанавливающие и водородные бактерии. Литотрофные бактерии играют важную роль в круговороте веществ в водоеме. (О химических реакциях, осуществляемых ими, говорилось во II части).

Условия существования в водоеме и особенно на дне чрезвычайно специфичны. Илы и донные грунты представляют собой проточные капиллярные системы, и поэтому многие микроорганизмы, адаптированные к жизни в илах, неспособны жить в пробирках или на чашках Петри. Одна из основных особенностей жизни в илах—постоянное перемешивание их, которое приводит к непрерывному обмену среды вокруг бактериальных клеток. Поэтому многие микроорганизмы илов способны существовать только в проточных культурах. Другая особенность илов в том, что на очень малых расстояниях друг от друга, измеряемых миллиметрами и долями миллиметров, располагаются микрозоны, резко отличающиеся по физико-химическим свойствам. Способные к активному движению бактерии ила располагаются в этих микрозонах соответственно своим потребностям. Невозможность создания аналогичных условий в лаборатории долгое время тормозило изучение микрофлоры илов.

Задача воспроизведения в лаборатории условий, близких к природным, в значительной степени была решена после разработки Б. В. Перфильевым и Д. Р. Габе технологии изготовления плоскопараллельных стеклянных капилляров заданного сечения. При введении таких капилляров в ил на внутренней поверхности его каналов начинает развиваться микрофлора, расположение которой соответствует ее распределению в донных отложениях. Создаются так называемые микробные пейзажи, изучение которых позволило обнаружить новые, ранее неизвестные формы бактерий.

Среди новых родов и видов Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе обнаружили бактерий с хищным типом питания. Эти бактерии образуют микроколонии, состоящие из палочковидных клеток, соединенных друг с другом, и способные к активному движению. Они могут изменять свою форму, сжиматься, растягиваться и делиться. Все хищные бактерии способны захватывать пищу. Для этого одни из них образуют из клеток колонии кольца и петли, другие—замыкающие полости, третьи оплетают пищу сетью типа паутины, при этом клетки выделяют слизь и смыкаются в клубок.

С помощью капилляров Б. В. Перфильев и Д. Р. Габе изучили также микроорганизмы, участвующие в образовании железо-марганцевых руд. Эти микроорганизмы они отнесли к роду Metallogenium.

Таким образом, применение новой методики позволило сделать важные открытия в области изучения микрофлоры водоемов.

К Типичным водным обитателям, не входящим в общее число сапрофитов, относятся многие слизеобразующие организмы, такие, как Zoogloea ramigera и Sphaerotilus natans. Способность образовывать зооглен, т. е. оформленные бактериальные скопления, имеющие общую слизистую капсулу, свойственна многим микроорганизмам. В случае изменения условий существования способность к образованию слизистых капсул нарушается, и поэтому при выделении в чистую культуру не были получены типичные зооглейные образования, встречающиеся в природных условиях.

Можно ожидать, что дальнейшее совершенствование методов изучения микрофлоры водоемов позволит открыть новые виды микроорганизмов, играющих существенную роль в круговороте веществ в водоеме.

РАСТЕНИЯ

Растительный мир водоемов представлен фитопланктоном, микробентосом и высшими водными растениями. В загрязненных водоемах процессы окисления органических соединений идут весьма интенсивно. Основные поставщики кислорода, расходуемого на окисление органических веществ бактериями,— водные растения. По данным Т. Н. Сивко и В. Г. Кондратюк (1972), проводившим наблюдения за фотосинтетической аэрацией рек Днепра, Березины и Сожа, при температуре воды в реках 21,4—22,8 ?С поступление кислорода в воду колебалось в широких пределах, но всегда

было связано со степенью загрязненности реки. На незагрязненных участках фитопланктон развивался слабо, в нем преобладали диатомовые водоросли и фотосинтетическая аэрация в водах Днепра составляла 0,3—1,2 мг О2/л·сут, а водах Березины—0,6—0,9 мг О2/л·сут. На участках рек, загрязненных сточными водами, фитопланктон развивался более обильно. Помимо диатомовых, развивались зеленые одноклеточные водоросли (Chlorella, Scenedesmus, Ankistrodesmus и др.). Фотосинтетическая аэрация составила на Днепре (ниже спуска сточных вод Могилева) 9—13,2 мг О2/л·сут, на Березине (ниже впадения р. Свислочь, в которую поступают стоки Минска)—7—8,9 мг О2/л·сут, на Соже (в створе и ниже Гомеля)—3—5 мг О2/л·сут.

Фитобентос играет очень большую роль на мелководьях и в искусственных каналах, в которых стенки часто покрываются сплошным ковром нитчатых водорослей. На более глубоких участках водоемов роль фитобентоса невелика, так как рост водорослей ограничивается недостатком света.

Водоросли способны непосредственно усваивать простые органические соединения и тем самым участвовать в процессах самоочищения водоема. Очень велика роль фитопланктона в процессах удаления из воды избытка соединений азота и фосфора. Известно, что при поступлении в водоемы очищенных сточных вод содержание в них нитритного и нитратного азота, а также фосфора намного превышает содержание их в незагрязненных водоемах. Водоросли, расходуя биогенные элементы на построение своей биомассы, способствуют их удалению из воды.

Помимо положительной роли водорослей в процессе самоочищения водоемов, фитопланктон при некоторых условиях может способствовать и увеличению степени загрязненности воды. Например, некоторая часть органических веществ, синтезированных водорослями, может поступать в воду, увеличивая тем самым количество растворенной в воде органики.

В несбалансированных водоемах, где первичная продукция не используется или используется недостаточно полно организмами следующих трофических уровней, после отмирания фитопланктона возможно накопление разлагающихся органических веществ и так называемое вторичное загрязнение водоема. При разложении водорослей легкоокисляемые органические вещества, такие, как растворимые углеводы и белки, минерализуются и поступают в воду. Более трудноокисляемые соединения, в частности клетчатка, опускаются на дно, где они участвуют в образовании стойких лигнино-гумусовых комплексов и способствуют заилению водоемов.

Предотвращение вторичного загрязнения водоемов может быть достигнуто путем удаления избытка фитопланктона и фитобентоса, но это трудно разрешимая техническая задача. Второй путь заключается в создании условий в водоеме, при которых вся первичная продукция будет утилизирована на последующих трофических уровнях.

К высшим водным растениям, или макрофитам, относятся тростник, камыш, рогоз, рдест и другие растения, имеющие корень, стебель и листья. Макрофиты широко распространены на многих реках, озерах и водохранилищах. Площадь зарослей тростника, например в СССР, составляет около 5 млн. га, а ежегодная его продукция—40 млн. т. сухой растительной массы. Роль макрофитов в самоочищении водоемов велика и многообразна. Они принимают участие в удалении из воды взвесей, минеральных и органических веществ, оказывают влияние на химизм водоема.

Поступающие в водоем вместе с поверхностным стоком взвешенные вещества в литоральной зоне встречают своеобразный барьер из высших растений. Скорость течения среди растений ниже, чем в открытом водоеме. Это способствует выпадению взвесей в осадок. Поверхность стеблей и листьев макрофитов обычно покрыта слизью, к которой прилипают содержащиеся в воде взвеси. Чем больше суммарная поверхность растения, тем эффективнее роль его как фильтратора.

В процессах фотосинтетической аэрации макрофиты играют не меньшую роль, чем фитопланктон. Очень большое значение имеет способность высших водных растений аккумулировать в своем теле различные элементы. Так, сусак способен накапливать 7,52 мг фосфора на 1 г сухой массы. Азот извлекается растениями из воды в форме, и. На способность усвоения азота влияет обеспеченность растений другими элементами минерального питания. Растения отличаются друг от друга способностью накапливать отдельные элементы: камыш активно поглощает марганец, ирис—кальций, осока—железо, ряска—медь и т. д. Коррелятивной зависимости между содержанием в воде минеральных элементов и их поглощением растениями обычно не наблюдается.

В местах вегетации высших водных растений обычно не наблюдается «цветения» воды. Это объясняется изъятием фосфора из воды макрофитами.

Высшие водные растения принимают участие в процессах очистки водоемов от органических веществ. Механизм этого явления пока не изучен, но уже установлено, что минерализующая роль макрофитов не может быть объяснена только выделением ими кислорода. Исследованиями К. Зайделя доказано, что камыш озерный интенсивно очищает воду, от фенолов. В течение суток одно растение камыша массой 100 г способно извлечь из воды до 4 мг фенола. Помимо фенола, поглощаются и его производные: лирокатехин, резорцин, ксилол и др. Поглощенные соединения включаются в метаболизм растения и, следовательно, обезвреживаются. Г. Н. Петров с сотрудниками (1964) при обследовании малых рек в районе Среднего Поволжья установили, что макрофиты способствуют всплыванию нефтепродуктов, осевших на дно, их разрушению. Даже при непрерывном поступлении нефти в водоем в зарослях высших водных растений она присутствует в незначительном количестве. Наиболее перспективные растения для очистки воды от нефти: камыш озерный и рогозы—узколистный и широколистный. Авторы считают, что разрушение нефти в присутствии макрофитов можно объяснить деятельностью эпифитной (развивающейся на растениях) микрофлоры. Экспериментально показано, что в присутствии нефтепродуктов количество бактерий в сосудах с растениями возрастает, причем более всего увеличивается число нефтеокисляющих бактерий.

К числу опасных загрязнителей водоема относятся радионуклиды. Высшие водные растения способны аккумулировать цезий-137, стронций-90, кобальт-60.

Учитывая положительное влияние макрофитов на окисление и минерализацию органического вещества в водоемах, многие исследователи предлагают использовать их для интенсификации процессов самоочищения водоемов. По сравнению с микрофитами макрофиты имеют и то преимущество, что их легко собирать и удалять из водоема.

ЖИВОТНЫЕ

Роль животных организмов в процессе самоочищения водоемов в значительной степени определяется их способом питания. Фильтраторы и седиментаторы освобождают воду от взвесей, в том числе от бактерий и водорослей. Тем самым они способствуют осветлению воды.

Активными седиментаторами являются многие спиралересничные и кругоресничные инфузории. Например, одна особь Carchesium lachmani при питании в течение часа пропускает через свой организм около 30 000 бактерий, а колонии Carchesium состоят из многих тысяч особей. Седиментация присуща и другим представителям кругоресничных инфузорий. У многих сувоек (Vorticella) в течение 30—40 с тело заполняется пищеварительными вакуолями с бактериями. Седиментаторами являются многие коловратки.

Фильтрация свойственна многим ракообразным, в том числе дафниям, личинкам комаров Culex и Anopheles, многощетинковым червям Polychaeta, а из рыб—толстолобику. При фильтрации животные пропускают сквозь имеющиеся у них мелкопористые структуры ток воды и используют для питания отцеженный материал.

Фильтраторы зоопланктона снижают численность бактерий в прудах примерно на 99 %. При высокой численности дафний они за сутки могут профильтровать весь объем пруда. Скорость фильтрации воды и поглотительная способность ветвистоусых рачков настолько велики, что в течение суток рачки потенциально способны поглотить всех бактерий, содержащихся в пруду. Практически этого не бывает, так как параллельно идет размножение бактерий. Двустворчатые моллюски—дрейссены, беззубки, перловицы—оказывают очень большое влияние на химический состав воды. Dreissena polymorpha длиной 2—3 см при t=17—18 °С пропускает через себя за сутки 1,5—2 л. Перловицы и беззубки длиной 5—6 см при температуре 20 °С отфильтровывают за сутки 16 л воды, а крупные формы, достигающие 9—11 см длины,—до 60—70 л воды на одну особь.

Изъятую из воды взвесь фильтраторы и седиментаторы перерабатывают в своем теле, а непереваренные остатки выбрасывают в виде фекальных комочков, которые опускаются на дно водоема. Большую роль в процессах самоочищения играет образование ими так называемых «псевдофекалий». Моллюски, например, не заглатывают большую часть отфильтрованного материала, а склеивают его и выбрасывают. Такие «псевдофекалии», состоящие из малопригодных в пищевом отношении комочков, также оседают на дно. Таким способом фильтраторы осуществляют транспорт загрязняющих веществ из воды на дно.

Большое влияние оказывают организмы зоопланктона на кислородный режим водоема. Влияние это прямое и косвенное. Прямое влияние выражается в усиленном потреблении кислорода зоопланктоном в процессах дыхания. Так, коловратки, содержавшиеся в биопрудах в количестве 74,3 тыс. экз./л, потребляли 5,7 мг О2/л в сутки (Н. Климович, 1968), а ветвистоусые рачки—20—30 мг О2/л в сутки (Н. М. Крючкова, 1968).

Косвенное влияние зоопланктона на кислородный режим водоема выражается в том, что в результате выедания им фитопланктона снижается интенсивность фотосинтеза. В биологических очистных прудах часто развивается сине-зеленая водоросль Sinechococcus plankticus, известная под условным названием «зеленая бактерия». В угревых прудах в Японии в результате, массового развития коловратки Brachionus plicaiilis резко снизилась численность «зеленой бактерии». Это привело к дефициту кислорода в воде и к гибели рыб. Гибель рыб в период массового развития зоопланктона наблюдалась в Индии. Максимальная численность ветвистоусых рачков в этот период составляла 16 тыс. экз./л, а веслоногих—до 17 тыс. экз./л. В большом количестве присутствовали коловратки. Содержание растворенного кислорода в воде при этом упало до 0—0,2 мг/л.

При массовом развитии зоопланктона вода обычно становится прозрачной вследствие выедания фитопланктона и бактерий; отсутствует явление стратификации, так как дафнии активно перемешивают воду; содержание кислорода обычно бывает низким, 0,2—1,0 мг/л, но одинаковым на поверхности воды и в глубине опять-таки в результате турбулентного перемешивания, осуществляемого дафниями.

В процессах самоочищения водоемов от органических веществ фильтраторы и седиментаторы играют роль потребителей первичной продукции. Они относятся к так называемому «мирному» зоопланктону и являются консументами I порядка. Сами они в свою очередь служат пищей хищным организмам зоопланктона и планктоноядным рыбам. Растительноядные рыбы, например толстолобик или белый амур, также относятся к консументам I порядка, в то же время являясь конечной продукцией в водоема Планктоноядные рыбы относятся сразу к двум (или более) трофическим уровням: поедая фильтраторов и седиментатореж, они выступают как организмы второго трофического уровня, а в качестве потребителей хищного зоопланктона относятся к третьем) трофическому уровню.

Сложность пищевых взаимоотношений гидробионтов создай большие трудности при попытке строгого разграничения организмов по трофическим уровням. Вместе с тем такое разграничений необходимо при определении продукции нехищного и хищного зоопланктона, так как в противном случае одна и та же энергия и вещество могут быть сосчитаны несколько раз. Г. Г. Винберг (1966) определяет продукцию трофического уровня как гумму продукций входящих в него популяций, а продукцию видовой популяции—как сумму приростов входящих в популяцию особей, Расчет продукции трофического уровня необходим для получения представления об обеспеченности рыб кормом и для того, чтобы определить, насколько полно происходит в водоеме деструкция органического вещества.

Чем больше трофических уровней в водоеме, тем меньшая часть первичной продукции заключена в конечной продукции.

Кратко суммируя данные о роли различных гидробионтов в процессах деструкции и изъятия загрязнении из водоемов, можно сделать следующее заключение.

Фитопланктон обогащает воду кислородом, необходимым для деструкции органического вещества, изымает из воды биогенные элементы, служит пищей растительноядным организмам, но в случае чрезмерного развития вызывает вторичное загрязнение водоемов.

Макрофиты также обогащают воду кислородом и способствуют удалению биогенных элементов, принимают активное участие в процессах изъятия из воды нефтепродуктов и токсичных соединений, легче, чем фитопланктон, удаляются из водоема, на мелководьях могут способствовать процессу заболачивания.

Бактерии—наиболее активные деструкторы органических веществ. Вследствие своей всеядности разрушают любые органические вещества естественного происхождения, служат пищей организмам следующих трофических уровней.

Растительноядный зоопланктон поедает фитопланктон и бактерий и тем самым участвует в процессах деструкции органических веществ. Удаляя из воды взвешенные вещества, он способствует осветлению воды, активно снижает концентрацию кислорода в воде как в результате дыхания, так и путем выедания фитопланктона, способствует перемешиванию воды, поглощая микроорганизмы, а также ее обеззараживанию.

Хищный зоопланктон, поедая растительноядный участвует в процессах деструкции органического вещества, до некоторой степени влияет на кислородный режим водоема. Рыбы завершают пирамиду трофических уровней; растительноядные выедают фитопланктон, тем самым препятствуя «цветению» водоема, хищные влияют на состав зоопланктона и таким образом на весь режим жизни гидробионтов различных уровней.

<< | >>
Источник: Голубовская Э.К.. Биологические основы очистки воды. Учебное пособие. — М.: Высшая школа. — 268 с.. 1978

Еще по теме Роль отдельных групп гидробионтов в самоочищении водоемов:

  1. Глава XVI. Круговорот веществ и энергии в водоемах. Самоочищение водоемов
  2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ И САМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ
  3. I. Педагогическая ценность отдельных групп развлечений и игр
  4. Динамика развития отдельных фаз и роль психогенных провокаций
  5. Роль новых групп в османском господствующем классе
  6. Исследования крупным планом. Играет ли роль опосредование передачи информации? Влияние вида задания и технических средств на выполнение задания группой и реакции ее членов
  7. Глава XIV. Загрязнение водоемов
  8. ВОДОЕМЫ
  9. Классификация водоемов по степени загрязненности
  10. Опасные водоемы
  11. Виды воздействия сточных вод на водоемы