Загрязнение компонентов водных экосистем

1. Значение водных объектов для всех видов водопользования

Водопользование - использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства.

Согласно ГОСТ 17.1.1.03-86. «Охрана природы. Гидросфера. Классификация водопользований» водопользование классифицируется по следующим признакам: по целям использования вод, по объектам водопользования, по техническим условиям водопользования, по условиям предоставления водных объектов в пользование, по характеру использования воды, по способу использования водных объектов.

Водные объекты используются для целей питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, сброса сточных вод и (или) дренажных вод, производства электрической энергии, водного и воздушного транспорта, сплава древесины и других целей.

К хозяйственно-питьевому водопользованию относится использование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности.

К культурно-бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно-бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования объектами для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.

К хозяйственно-питьевому водопользования относится использование водных объектов или их участков в качестве источника питьевого и хозяйственно-бытового водопользования, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

К культурно-бытовому водопользования относится использование водных объектов или их участков для рекреационного водопользования. Требования к качеству воды, установленные для второй категории водопользования, распространяются также на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест.

Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды.

Общесанитарный показатель определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры.

Санитарно-токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека.

Токсикологический показатель показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект.

Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.

Наименьшая из безвредных концентраций по трем (пяти) показателям вредности принимается за ПДК с указанием лимитирующего показателя вредности.

Рыбохозяйственные ПДК должны удовлетворять ряду условий, при которых не должны наблюдаться:

· гибель рыб и кормовых организмов для рыб;

·              постепенное исчезновение видов рыб и кормовых организмов;

·              ухудшение товарных качеств обитающей в водном объекте рыбы;

·              замена ценных видов рыб на малоценные.

2. Проблема загрязнения водных экосиситем в целом в пределах городов

2.1 Загрязнение вод промышленностью

Сильное загрязнение водной среды происходит при транспортировке нефти. В настоящее время около 65% объема мировой добычи нефти перевозят морским путем, и объем этих перевозок возрастает.

Вместе с этим растет мощность танкерного флота. При поступлении в водоем нефть при авариях танкеров под действием процессов самоочищения, протекающих в водной среде, претерпевает различные изменения, характер которых определяется совокупностью физических, химических и биологических факторов. Первоначально образуются нефтяные слики - пятна, растекающиеся по водной поверхности (1т нефти загрязняет до 12 км² акватории). Под влиянием ветра нефтяные пятна передвигаются, сливаются и могут занимать большие площади. В процессе рафинирования нефти более легкие фракции испаряются (примерно 1/3 массы), а водорастворимые (около 1/3 массы) выщелачиваются за 1…3 недели. Остаток имеет повышенную вязкость, образуя с водой стойкие эмульсии («шоколадный мусс», длительное время сохраняющийся в воде).

Нефть и нефтепродукты способны загрязнить огромные пространства, покрывая водоемы тонкой пленкой. В результате затрудняется газообмен между водой и атмосферой. Нефтяное загрязнение приводит к гибели 50% молодых морских организмов. Нефть погубила бы океан, если бы не было нефтеокисляющих бактерий, морских животных (планктон, нектон), которые способны усваивать растворенную нефть. Борьба с нефтяным загрязнением - сложная и неотложная задача.

2.2 Загрязнение сельскохозяйственными стоками

Из других веществ, загрязняющих водную среду, отметим тяжелые металлы (ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), отходы атомного и химического производств, часто захороняемые на дне океанов, а также удобрения и пестициды, поступающие с сельскохозяйственных полей. Наибольшую опасность из металлов представляют ртуть и ее соединения, особенно метилртутные. Средняя концентрация ртути в океанической воде около 0,15 мг/л. При ежегодном производстве ртути около 9 тыс. т в ближайшем будущем трудно ожидать существенного снижения общепланетарных концентраций этого элемента в водной среде. Тем не менее высокая химическая устойчивость j ртути, а также диспропорции в ее потреблении могут привести к сильному локальному загрязнению водных объектов, особенно внутренних водоемов и прибрежных участков морей, отличающихся меньшей интенсивностью циркуляции водных масс. Попадая в водоем, ртуть поглощается гидробионтами, аккумулируется в донных отложениях в концентрациях, значительно превышающих исходные. Накапливаясь в различных видах гидробионтов, ртуть оказывает на них сильное воздействие. Значительный вред гидробионтам наносит загрязнение вод свинцом и его соединениями. Многие тяжелые металлы аккумулируются в морских организмах, вызывают их гибель или делают опасными при употреблении в пищу.

2.3 Загрязнение электростанцией и радиоактивными отходами

Значительный ущерб причиняют тепловые и атомные электростанции, сбрасывающие теплые воды в природные и искусственные водоемы, нарушая термический, гидрохимический и гидробиологический режимы - «тепловое загрязнение». Современные тепловые и атомные электростанции используют для охлаждения до 200 м³/с воды, которая, возвращаясь в водоемы в подогретом виде, изменяет их тепловой баланс. В результате повышения температуры воды усиливается ее испарение, увеличивается минерализация, происходит более интенсивный рост водной растительности, что приводит к накоплению органического вещества. Последующее разложение и дальнейшая минерализация вызывают уменьшение растворенного кислорода. Все это отрицательно сказывается на процессах жизнедеятельности живых организмов.

Наибольшую опасность для природных вод и живых организмов представляют радиоактивные отходы. Поэтому их сброс в водоемы недопустим. Отходы сливают в специальные сосуды и захороняют в отведенных местах. Сточные воды с незначительным содержанием радиоактивных отходов представляют большую опасность для природных вод. В организмах рыб и животных, а также в растениях происходят процессы биологической концентрации радиоактивных веществ. Мелкие организмы, содержащие эти вещества в небольших дозах, поглощаются более крупными, в которых возникают уже опасные концентрации. Поэтому отдельные пресноводные рыбы в несколько тысяч раз радиоактивнее водной среды, в которой они обитают.

2.4 Загрязнение бытовыми стоками

По-прежнему немаловажную роль играет загрязнение рек и водоемов стоками животноводческих комплексов.

Животноводческие фермы и крупные животноводческие комплексы промышленного производства свинины, говядины и молока на 50… 100 тыс. голов являются существенным источником загрязнения водных объектов страны. Для сокращения затрат на водоснабжение фермы располагают вблизи водоемов. В ферме крупного рогатого скота ежесуточно образуется 1 т навозной жижи от каждой сотни голов. Отходы животноводческих хозяйств опасны тем, что в них содержатся яйца гельминтов (глистов) и патогенные микроорганизмы, являющиеся источником заболеваний. Особенно опасны отходы свиноводческих комплексов. Одна свиноферма на 100 тыс. голов по интенсивности загрязнения воды равнозначна городу с населением 250 тыс. человек. Сложность проблемы охраны вод от стоков животноводческих хозяйств заключается в трудности санитарного обеспечения накопителей и утилизации отходов. Все большее влияние на качество воды оказывают диффузные источники загрязнения, в частности удобрения и ядохимикаты, смываемые с сельскохозяйственных площадей, а также ливневыми и снеговыми водами с городских и промышленных территорий. Установлено, что по нагрузке они соизмеримы с хозяйственно-бытовыми стоками. Ядохимикаты не только накапливаются в объектах природной среды в больших количествах, но и сохраняются в ней очень долгое время - неделями, месяцами и даже годами. Отмечается зависимость пестицидов в природной среде от климатических факторов: от особенностей термического режима, характера переноса воздушных масс в различных природных зонах, интенсивности и сезонности выпадения осадков.

2.5 Загрязнение атмосферой

Качество природной воды ухудшается в результате воздействия загрязнений, поступающих из атмосферы. В отдельных случаях они достигают 15…20% от общего загрязнения водоема. Выбросы индустрии в атмосферу Земли составляют более 53 млн т оксидов азота, 200 млн т - оксида углерода, около 146 млн т - двуоксида серы, 200…500 млн т - пыли и 120 млн т - золы. Твердые частицы этих выбросов, перемещаясь с воздушными потоками на большие расстояния, выпадают на сушу или воду. Газообразные выбросы, растворяясь в атмосферной влаге, выпадают на поверхность Земли в виде «кислотных дождей» и наносят ущерб флоре и фауне.

2.6 Загрязненение транспортом, лесосплавом, отвалами горных разработок

К числу загрязнителей природных вод следует также отнести водный транспорт, лесосплав и сопутствующие ему работы, отвалы горных разработок и пр. Водный транспорт загрязняет воду при сбросе отходов, и особенно нефтепродуктов, которые попадают в воду при перевозках морским транспортом. При холостом рейсе танкеры для устойчивости наполняют водой, а в месте загрузки нефтью насыщенную нефтепродуктами балластную воду сбрасывают за борт. Международным соглашением запрещается сброс в море неочищенной балластной воды. Однако многие судовладельческие компании считают более выгодным платить штрафы, чем терпеть убытки от простоя на станциях промывки.

Молевой сплав леса (сплав бревен россыпью) приводит к засорению водных объектов в результате потери коры и сучьев, которые оседают на дно рек. Затонувшая древесина (до 10%), а также выделяющиеся смолы, дубильные вещества и вредные соединения медленно разлагаются, поглощают кислород и выделяют фенольные и другие вредные вещества, отравляя воду. Вырубка густого кустарника по берегам рек, мешающего лесосплаву, усиливает эрозийные процессы, ускоряя заиливание русла. Большой ущерб молевой сплав наносит рыбному хозяйству в результате травмирования рыбы, разрушения нерестилищ и отравления икры и кормовых организмов. Рубка леса на территории водосборов нарушает температурный и биологический режим рек, что вызывает их обмеление и пересыхание. На качество воды в значительной степени оказывают влияние и водохозяйственные мероприятия, в том числе различные мелиоративные работы. Особенно на гидрохимический и гидробиологический режимы водотоков и водоемов влияет создание водохранилищ.

В водохранилищах озерного типа со значительной изрезанностью береговой линии и большим числом заливов возрастает доля процессов, характерных для застойных зон, усиливаются процессы эвтрофикации (зарастание водной растительностью).

Эвтрофикация особенно усиливается под влиянием поступления в водоемы удобрений с полей и сточных вод.

Если в начальный период эвтрофикация приводит к увеличению продуктивности водоема в развитии фитопланктона и рыбы, то в последующем она является причиной ухудшения качества воды и обеднения видового состава, приводит к развитию синезеленых водорослей, менее требовательных к условиям обитания.

Ущербы от цветения воды весьма значительны в системах коммунального и технического водоснабжения и в рыбном хозяйстве. В системах водоснабжения в период цветения увеличивается расход коагулянтов для осаждения водорослей и требуется расширение площади и объем отстойников. На тепловых электростанциях синезеленые водоросли снижают эффект охлаждения, приводят к перерасходу топлива. Избыточное цветение ограничивает, а иногда и исключает использование водных ресурсов для рекреации, лечения, спорта и туризма. Все вредные вещества влияют на органолептические, общесанитарные, токсические и рыбохозяйственные качества воды, изменяя ее физические свойства (прозрачность, окраску, запах и пр.) и химический состав. При этом появляются плавающие образования и отложения, бактерии, вирусы, грибки. В результате качество воды рек и водоемов может оказаться непригодным для водопотребления - водопользования.

3. Значение донных отложений в загрязнении водных экосистем

При экологической оценке гидроэкосистем одним из наиболее информативных объектов изучения являются донные отложения. Аккумулируя загрязнения, которые поступают в водоём на протяжении продолжительного периода, донные отложения являются индикатором экологического состояния водосбора, своеобразным интегральным показателем уровня загрязненности водных ресурсов. Донные отложения представляют собой сложную многокомпонентную систему и играют чрезвычайно важную роль в формировании гидрохимического режима водных масс и функционировании экосистем водоемов и водотоков. Они активно участвуют в внутриводоемном круговороте веществ и энергии и являются средой обитания многочисленных групп животных организмов - бентоса. Речные наносы мелких фракций, обладающие высокой сорбционной способностью, в процессе своего перемещения и отложения в русле реки накапливают весь комплекс химических элементов, присутствующих в воде. Концентрация загрязняющих химических элементов в наносах размером меньше 0,020 мм (глинистые и илистые частицы) зачастую превышает их концентрацию в речной воде в 5-10 раз. Интенсивность формирования, мощность, гранулометрический и химический состав донных отложений зависят от физико-географических и антропогенных условий бассейна и совокупности процессов, которые происходят в самих водоёмах. По мере хозяйственного освоения водосборов и водоёмов всё большее значение в формировании донных отложений приобретает антропогенное влияние (распашка водосборов, сбрасывание сточных вод и др.). Образование техногенных отложений обусловлено изменением условий формирования твердого стока рек и поступлением в водные объекты значительных масс твердого материала, который имеет специфические геохимические свойства. Именно техногенные донные отложения являются концентраторами основной массы загрязняющих водные системы веществ, которые не только растворяются в воде, но и частично инактивируются, вступая во взаимодействие между собой (нейтрализация, комплексообразование и прочие реакции), или же образуют новые соединения, более токсичные, чем исходные. В этой ситуации важнейшим источником информации о состоянии водных экосистем становится загрязненность донных отложений. Результаты исследования речных донных отложений позволяют установить наиболее неблагополучные в экологическом отношении участки реки и, в конечном счете, скорректировать состав и объем мониторинга речного бассейна, выявить и нейтрализовать источники загрязнения.

Современная природоохранная политика в нашей стране базируется на нормативном подходе. Оценочным показателем являются санитарно-гигиенические нормативы, такие как предельно допустимые концентрации (ПДК). Однако методология нормирования загрязняющих веществ в донных отложениях поверхностных водотоков разработана недостаточно, так как существующие в настоящее время ГОСТы и методические пособия для исследования почв и донных отложений не учитывают специфику их состава, особенности поведения загрязнителей в различных природных средах и зачастую не соответствуют современному уровню знаний в области гидрологии, почвоведения и грунтоведения, коллоидной и физической химии.

Поэтому, на сегодняшний день в Российской Федерации отсутствуют ПДК для химического загрязнения взвешенных веществ и донных отложений поверхностных водотоков и водоемов. Отсутствие нормативной базы не обеспечивает эффективного мониторинга экологического состояния донных отложений. Поэтому вероятен риск вторичного загрязнения поверхностных вод из донных отложений. Важной задачей дальнейших научных исследований является разработка и внедрение ПДК для загрязняющих веществ в наносах и донных отложениях, так как в настоящее время большинство водных экосистем находятся в неудовлетворительном состоянии.

4. Необходимость использования биологических методов, (биотест, метод определения фитотоксичности)

Биотестирование - это определение степени опасности среды с помощью биологических объектов: водорослей, простейших дафний и пр. т.е. в исследуемую среду помещают биологического тестировщика (биотест) и наблюдают, как исследуемая среда воздействует на него. В качестве биотестов применяют зеленые водоросли - хлорелла и сценедесмус, ракообразных - цериодафнии и дафний, простейших - инфузории.

Биотестирование природных вод и донных отложений используют при проведении режимных наблюдений и для решения оперативных задач с целью проверки соответствия качества вод и донных отложений отдельных проб установленным нормам. В режимных наблюдениях на основе систематических данных биотестирования оценивают токсическое загрязнение водных объектов или их участков. В ходе решения оперативных задач оценивают токсичность отдельных проб воды с целью выяснения чрезвычайных экологических ситуаций. В ходе биотестирования воды и донных отложений устанавливают отсутствие или наличие токсического (острого, подострого, хронического) действия испытываемой пробы для биологических объектов, без идентификации загрязняющих веществ и их количественных характеристик. Биотестирование природных вод и донных отложений основано на определении показателей токсичности опытной пробы воды и донных отложений, взятой в зоне влияния источника загрязнения, и их отличий от контрольной пробы, отобранной на условно чистом участке водного объекта. Биотестирование токсичности природных вод и донных отложений направлено на решение задач различного уровня. Биотестовые исследования дают возможность определить:

токсичность пробы воды и донных отложений;

участки накопления токсичных загрязняющих веществ в донных отложениях;

влияние источников загрязнения на состояние водной и донной составляющих водного объекта;

отдельно уровень токсического загрязнения водной среды и донных отложений экосистемы водного объекта;

в целом уровень токсического загрязнения экосистемы водного объекта;

эколого-токсикологическое состояние водного объекта в комплексе с методами биоиндикационными и физико-химическими исследованиями;

токсичность донных отложений при дампинговых работах в водных объектах;

оценить токсичность проб техногенно загрязненных почво-грунтов.

Объективную оценку токсического загрязнения получают:

с помощью набора биотестов (методик) с различными тест-объектами, желательно, представителями разного трофического и систематического уровня (например, микроводоросли, дафнии, рыбы, инфузории, коловратки и т.д.);

с помощью набора биотестов на основе различных тест-реакций одного тест-объекта, (например, пищевая активность, гибель, плодовитость коловраток или фотосинтез, концентрация хлорофилла, интенсивность прироста микроводорослей);

получают наиболее точную оценку по комплексу показателей гибели и плодовитости тест-объекта.

Основные принципы биотестирования донных отложений

Методы биотестирования донных отложений имеют ряд общих принципов с методами биотестирования природных вод:

а) в зависимости от поставленных задач и имеющихся в наличии тест-объектов биотестирование проводят:

на необработанной пробе донных отложений. Для анализа такой пробы желательно использовать в качестве тест-объектов представителей бентоса, т.е. организмов, для которых естественной средой обитания являются донные отложения, например, хирономиды, моллюски;

на водной вытяжке (экстракте) донных отложений. Для анализа такой пробы можно использовать любые тест-объекты;

б) использование в контрольной серии донных отложений с фонового участка, имеющих идентичный тип грунта (ил, песок), гранулометрический состав и, желательно, уровень органического загрязнения;

в) донные отложения в зависимости от типа (песок, ил, ракушечник) имеют особенности в получении водных вытяжек.

5. Данные по р. Темерник за 2013 г. по фитотоксичности вод и донных отложений

Рис. 1. Схема отбора проб на реке Темерник