Антропогенное загрязнение как фактор повышения трофического уровня малых водоемов на примере озера ак-гель

• Известия ДГПУ, №3, 2008

УДК 504.05:656.18

АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ТРОФИЧЕСКОГО УРОВНЯ МАЛЫХ ВОДОЕМОВ НА ПРИМЕРЕ ОЗЕРА АК-ГЕЛЬ

2008 Расулова М.М.

Дагестанский государственный университет

Проведено исследование качества воды озера Ак-Гёлъ с целью определения трофического статуса водоема, зависимости процесса эвтрофирования озера от антропогенной нагрузки (сточные воды). Было установлено, что озеро Ак-Гёлъ относится к числу загрязненных и является эвтрофным, причем продолжающееся и возрастающее антропогенное воздействие может привести к значительному повышению трофического уровня в ближайшем будущем.

The study of the quality of the water in the Ak-Gel lake has been conducted with the aim to reveal of the reservoir’s trophic status and to find the dependence of the process of the lake eutrophia on the anthropogenous loadings (the sewages). It was determined that the Ak-Gel lake belongs to the number of polluted ones and is eutrophic. Moreover, the continuing and increasing anthropogenous influence can bring about the significant increase of the trophic level in the near future.

Ключевые слова: сточные воды, эвтрофирование, антропогенный фактор, озеро.

Keywords: sewages, eutrophia, anthropogenous factor, lake.

Повсеместное ухудшение состояния городских водоемов является одной из глобальных экологических проблем, потому что все они в той или иной степени подвержены антропогенному прессингу, что негативно отражается на качестве воды, жизнедеятельности гидробионтов и водной растительности, состоянии поверхности водоемов и прибрежной зоны.

Находящиеся в городской черте водоемы,

особенно бессточные и слабопроточные, фактически превращаются в накопители разнообразных городских отходов.

Неудовлетворительное экологическое состояние таких водоемов оказывает соответствующее влияние на здоровье населения и может способствовать

возникновению неблагоприятной

эпидемиологической обстановки. Кроме того, внешний вид загрязненных водоемов нарушают эстетическую

картину города [10].

Антропогенными факторами

загрязнения водных объектов являются: сточные воды промышленных предприятий, населенных пунктов, животноводческих комплексов; смывы с мест разработки полезных ископаемых, судоходство, дождевые и ливневые смывы с водосбросных площадей (в том числе с территорий городов, поселков, сельскохозяйственных угодий),

загрязненные атмосферные осадки,

химизация сельского хозяйства.

Загрязненными считаются воды, в которых содержание отдельных

компонентов химического состава

превышает их средние многолетние

концентрации и количества, допустимые санитарными нормами, а также те воды, в которых обнаруживаются вещества, не свойственные им в естественном

состоянии (нефтепродукты, фенолы,

пестициды, поверхностно-активные

вещества) [6].

Целью данной работы является изучение влияния антропогенной нагрузки на малые водоемы и ее роль в изменении их трофического уровня (на примере озера Ак-Гель). Особое внимание уделяется роли сточных вод, их качества, органического и

химического состава в антропогенном эвтрофировании.

На данный момент в Дагестане не проводилось исследований по антропогенному эвтрофированию озер, несмотря на то, что роль их в хозяйственной жизни республики огромна. Учитывая, что общая площадь озер Дагестана не так велика, нагрузка на них оказывается слишком большой, чтобы они могли самостоятельно противостоять негативным

последствиям их использования. В результате появляется необходимость в особом внимании этим объектам природы.

Эвтрофирование - повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных и естественных (природных) факторов.

Особо следует подчеркнуть, что между эвтрофированием и загрязнением имеется существенная разница.

Загрязнение обусловлено сбросом токсичных веществ, подавляющих биологическую продуктивность

водоемов, а эвтрофирование в известной степени повышает продуктивность.

Основными источниками загрязнения водоемов биогенными веществами

служат смыв азотных и фосфорных удобрений с полей, строительство

водохранилищ без надлежащей очистки ложа, сброс сточных вод, в том числе и прошедших биологическую очистку.

Эвтрофирование представляет собой естественный процесс эволюции водоема. С момента «рождения» водоем в естественных условиях проходит несколько стадий в своем развитии: на ранних стадиях - от

ультраолиготрофного до олиготрофного.

Далее становится мезотрофным и в конце водоем превращается в эвтрофный и гиперэвтрофный - происходит «старение» и гибель водоема с образованием болота [5]. Так, например, болота горного Дагестана эвтрофного типа образовались в процессе зарастания озер, в ходе которого на озерах начинает преобладать болотная растительность (тростниковые, осоковые, рогозовые, кувшинковые, сфагновые и другие) [7]. В Дагестане же преобладают тростниковые, рогозовые, камышовые.

Однако под воздействием

хозяйственной деятельности этот естественный процесс приобретает специфические черты, становится антропогенным. Резко возрастает скорость и интенсивность повышения продуктивности экосистем. Так, если в естественных условиях эвтрофирование какого-либо озера протекает за 1000 лет и более, то в результате антропогенного воздействия это может произойти в сто и даже в тысячу раз быстрее.

По образному выражению Ю. Одума, антропогенное эвтрофирование есть злокачественное увеличение первичной продукции в водоеме. Она приводит ко многим неблагоприятным последствиям с точки зрения водопользования и водопотребления (развитие «цветения» и ухудшение качества воды, появление анаэробных зон, нарушение структуры биоценозов и исчезновение многих видов гидробионтов, в том числе ценных промысловых рыб) [5].

К наиболее наглядным проявлениям последствий эвтрофирования относится «цветение» воды сине-зелеными водорослями, во время которого повышается мутность воды, снижается содержание кислорода, происходят массовые заморы рыб, создаются благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, затрудняется рекреационное использование водоемов

[4].

Сине-зеленые водоросли в результате своей жизнедеятельности производят сильнейшие токсины. Известны два типа таких токсинов - нейротоксины и гепатоксины. Они находятся в клетках

этих водорослей (цианобактерий) и только после их разрушения поступают в воду; весьма устойчивы и не разрушаются при хлорировании воды. Более того, токсины сине-зеленых водорослей сохраняются и в сухих клетках.

Фактором, ограничивающим

«цветение» сине-зеленых водорослей, является уменьшение сброса биогенных веществ (в основном фосфора) в водные экосистемы.

Поскольку эвтрофирование водоемов стало серьезной глобальной проблемой, по линии ЮНЕСКО начаты работы по мониторингу внутренних вод, контролю за эвтрофированием водоемов земного шара.

Основными критериями для характеристики процесса

эвтрофирования водоемов являются:

- уменьшение концентрации растворенного кислорода в водной толще; увеличение концентрации биогенных веществ;

- увеличение содержания

взвешенных частиц, особенно органического происхождения;

- последовательная смена популяций водорослей с преобладанием синезеленых и зеленых водорослей;

- уменьшение проникновения света (самозатенение, возрастание мутности воды);

- увеличение концентрации фосфора в донных отложениях;

- значительное возрастание биомассы фитопланктона (при уменьшении разнообразия видов) и т.д.

Один из активных регуляторов биологических процессов в озере -количество и качество растворенного в воде органического вещества (РОВ). Важным свойством органических веществ как регуляторов состояния динамической устойчивости биоценоза озера является их доступность для гетеротрофных утилизаторов - главных минерализаторов РОВ.

Изменение скорости деструкции и первичного продуцирования

органических веществ в озере при его «обогащении» органическими

веществами, различными по

трофической ценности, происходит по-разному. Известно, что избыток легкоокисляемых микроорганизмами органических веществ увеличивает потребление кислорода аэробными гетеротрофами. Это является причиной возникновения в нижних слоях озера анаэробной зоны. В анаэробных условиях скорость деструкции органических веществ резко снижается, увеличивается выход фосфора из донных отложений в придонный слой воды. Одновременно резко повышается

фотосинтез в трофогенном слое воды. Озеро становится гипертрофным. Избыток биохимически нестойких органических веществ появляется в

водоемах при их ускоренном

эвтрофировании или загрязнении

органическими веществами, близкими к естественным (стоки с

животноводческих ферм, пищевых фабрик, бытовые стоки, продукты вымочки льна).

При избыточном накоплении в воде озер трансформированных РОВ процессы деструкции органических

веществ подавлены из-за их низкой трофической ценности. Такие озера низкопродуктивны, то есть дистрофны.

Низкая первичная продукция этих озер обусловлена рядом причин: высокой цветностью гумусовых кислот, резко снижающей фотосинтез, низким pH, трудной доступностью биогенных элементов, токсическим действием гуматов на живые организмы и рядом других причин. Накопление в озерных водах значительных количеств биохимически устойчивых органических веществ (гумусовых кислот,

меркаптанов и других продуктов внеклеточной трансформации) чаще всего вызвано их поступлением с заболоченного водосбора, а также хозяйственной деятельностью человека, в частности при использовании производных бензола, стойких к биохимической деструкции (гербициды, пестициды, промышленные стоки).

Гумусовые вещества являются обязательным компонентом любой

гидроэкосистемы, так как это -побочный продукт биохимической деструкции.

Все озера по уровню гумификации и характеру продукционно-деструкци-онных процессов можно разделить на две группы: 1) ультраолиго- и олигогумозные озера, величина концентрации гуматов в воде которых не ингибирует продукционно-деструкци-онных процессов в озере; в этих озерах обнаруживается тесная взаимосвязь концентрации органических веществ и их состава с уровнем первичной продукции; 2) мезо- и полигумозные, величина концентрации гуматов в воде которых ингибирует продукционно-деструкци-онные процессы; в этих озерах преобладает влияние заболоченного водосбора.

При сильном антропогенном эвтрофировании происходят

существенные изменения уже при любых глубинах, и даже достаточно глубокие озера могут быть эвтрофны. В то же время встречаются сравнительно мелководные озера с небольшим

удельным водосбором, которые еще олиготрофны, поскольку антропогенное воздействие на них мало.

Следует вывод, что диапазон

изменений нагрузки малых озер биогенными элементами теперь уже в большей мере определяет уровень их эвтрофирования, нежели глубина.

Существенную роль в процессе антропогенного эвтрофирования играет также прозрачность озер [8].

Водные ресурсы имеют особое

значение в развитии социально-экономического комплекса Республики Дагестан, поскольку для нормального функционирования сельского и рыбного хозяйства, энергетики, промышленности и коммунально-бытовой сферы требуется огромное количество воды.

В Дагестане, несмотря на сухость климата, насчитывается около 100 озер, занимающих относительно большую площадь (более 150 км2). В основном они расположены в низменной части республики, меньше их в среднегорной и особенно в горной частях. К главным

озерам приморской низменности относятся Ак-Гель, Большой и Малый Турали, Аджи. Почти все они принадлежат к типу лагунных озер, опресненных или солоноватых, образовавшихся путем отделения от Каспийского моря небольших заливов вследствие понижения его уровня [1].

Ак-Гель - пресное озеро морского происхождения. Расположено в юговосточной части г. Махачкалы, в районе Редукторного поселка, в 1,0 км от берега Каспийского моря. В результате понижения уровня Каспийского моря его воды перестали поступать в озеро, и оно стало высыхать. Впоследствии озеро было восстановлено путем

дноуглубительных работ и вследствие повышения уровня грунтовых вод в результате современной трансгрессии моря. Некоторое время озеро использовалось в качестве нагульного водоема для выращивания сазана, карпа, толстолобика. Длина и ширина озера около 1,3 км, общая площадь чуть более 1,2 км2 [2].

Санитарное состояние прибрежной зоны озера Ак-Гель оставляет желать лучшего, особенно в районе частного жилого сектора. Здесь осуществляется свалка бытового мусора. В исследуемое озеро производится несанкционированный сброс сточных вод (бытовых;

промышленных с территории ОАО «Стекловолокно» - по данным

КаспНИИРХа, сброс должен

производиться в Каспийское море); аварийная утечка из прохудившихся труб; продуктов нефтяной промышленности (АЗС); на берегу производится складирование ТБО.

Загрязняющие вещества, которые переносятся воздушными массами, вследствие выпадения осадков также попадают на поверхность озера. В связи с этим нельзя оставить без внимания санитарное состояние атмосферного воздуха городской зоны, в загрязнение которого основной вклад вносят различные предприятия (бытовые и промышленные) [9].

К загрязнениям атмосферного воздуха, источниками кислотных

дождей, относятся диоксид серы, оксид азота, и летучие органические соединения.

В состав летучих органических соединений входят реакционноспособные алканы 50% (пропан, н-бутан и более высокомолекулярные), олефины 23% (этилен, пропилен и другие), ароматические углеводороды 18% (бензол ксилолы), альдегиды и кетоны 8% (формальдегид, ацетон), органические кислоты 1% (муравьиная, уксусная и другие).

Роль сточных вод в эвтрофировании состоит в переносе ими взвешенного и растворенного органического вещества, растворенного кислорода и токсических загрязняющих веществ. Даже прошедшие очистку и обеззараживание сточные воды оказывают весьма негативное влияние на принимающие их водоемы, особенно малые озера. Так, на примере озера Ак-Гель можно увидеть,

Данные трофического статуса

что ухудшение его трофического состояния целиком и полностью зависит от сбрасываемых в него сточных вод. Особую опасность представляют воды, стекающие с территории ОАО «Стекловолокно», в состав которых входят фенолы, мышьяк, ацетон и другие токсичные вещества. На сегодняшний день материалов о качестве этих вод не имеется. Однако понятно, что этот фактор имеет разрушительное значение для экосистемы озера. Также выяснено, что надзор за сточными водами жилой зоны не ведется вообще.

В период с 20.10.06 по 06.06.07 нами проводились исследования качества воды озера Ак-Г ель по методикам Руководящего документа по

определению качества поверхностных вод (1995) с целью выявления трофического статуса водоема. Результаты представлены в таблице 1 и на рисунке.

Таблица 7

оз. Ак-Гель

Дата мес./год 1 воды, °С Содержание Ог, мг/л БПКб, мг/л Прозрач-ность, см Цветность, град. Реакция

10.06 15 8,14 3,65 4,8 0,872 10 3

11.06 4 11,08 5,68 4,8 0,872 10 4

12.06 5,5 13,08 7,25 3 0,821 10 2

01.07 -2 13,92 9,02 3,5 0,835 10 3

02.07 2 14,01 10,25 4,6 0,864 10 3

03.07 9 15,13 12,35 3,9 0,871 10 2

04.07 13 16,44 14,64 4,9 0,852 10 2

05.07 18 9,81 9,02 4,8 0,832 10 3

06.07 22 7,72 6,71 5,2 0,829 10 2

07.07 23 6,52 6,52 4,3 0,846 10 5

08.07 20 6,19 6,19 3,2 0,835 10 3

09.07 19 7,17 6,91 3,9 0,821 10 4

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

ЙЕ

Растворенный кислород

Биологическое потребление кислорода

окт.06

янв.07 апр.07 июл.07

Рис. Содержание растворенного кислорода в воде оз. Ак-Гель и его биологическое потребление

На основе данных таблицы нами был проведен сравнительный анализ полученных результатов на оз. Ак-Гель в 2006-2007 гг. с допустимыми значениями, установленными для водоемов, расположенных в черте населенных мест (табл. 2).

Основываясь на аналитических данных и визуальных характеристиках озера, мы пришли к выводу, что озеро Ак-Гёль относится к числу загрязненных и является эвтрофным. Причем в холодное время года состояние его приближается к мезотрофному, а в жаркое - к гипертрофному, что свидетельствует о прогрессивном процессе эвтрофирования,

происходящем на озере. Это связано с тем, что в холодный период процессы

жизнедеятельности замедляются, в

результате чего микроорганизмы меньше потребляют кислород.

Существенную роль в процессе эвтрофирования играют сточные воды. В озере под влиянием поступления богатых органикой сточных вод уменьшается

концентрация кислорода, вследствие превышения гетеротрофного дыхания над фотосинтетической продукцией, особенно в нижних слоях. В нижних слоях озера при этом в анаэробных условиях за счет

деятельности бактерий идет накопление в воде продуктов разложения органического вещества (аммиака, метана, жирных кислот и т.д.). Здесь уже можно говорить не об эвтрофировании водоема, а его органическом загрязнении.

Таблица 2

Результаты сравнительного анализа показателей состава и свойств воды, предъявляемых к рекреационным водоемам, с показателями оз. Ак-Гель

Показатели состава и свойства воды водоема Требования, предъявляемые водоемам, используемым для купания, спорта и отдыха, в черте населенных мест Результаты наблюдений на озере Ак-Гель

Плавающие примеси На поверхности не должно быть плавающей пленки, пятен, минеральных масел и скоплений других примесей На поверхности в прибрежной зоне наблюдаются плавающая пленка и скопления пены

Запахи, привкусы Вода не должна иметь запахов и привкусов интенсивностью более 2 баллов, обнаруживаемых непосредственно Вода имеет запах интенсивностью 2 и более баллов

Окраска Не должна обнаруживаться в столбике 10 см Обнаруживается в столбике 7 см

Растворенный кислород Не должно быть менее 4 мг/л в любой период в пробе, отобранной до 12 ч дня Содержание растворенного кислорода от 6,19 до 16,44 мг/л

БПКа Полная потребность воды в кислороде при 20оС не должна превышать 6 мг/л Потребность воды в кислороде в осенне-зимний период составила в среднем 7,12, в весенне-летний - 9,24 мг/л

Возбудители заболеваний Не должна содержать возбудителей заболеваний. Биологически очищенные бытовые сточные воды обеззараживают до коли-индекса не более 100 в 1 л при остаточном хлоре не менее 1,5 мг/л Сточные воды не очищаются, не обеззараживаются и даже не учитываются

Реакция Не должна выходить за пределы 8,5 pH Составляет 10 pH

Взвешенные частицы Содержание взвешенных частиц не должно увеличиваться больше, чем на 0,75 мг/л Содержание взвешенных частиц в среднем 0,26 мг/л

Следует обратить внимание на то, что не только увеличивается поступление различных веществ в водные объекты, но меняется сам характер их поступления: повышается содержание фенолов, альдегидов, СПАВов, а также усиливается вынос терригенного материала, что приводит к увеличению количества взвешенного вещества в воде озера.

Что же касается промышленных сточных вод, то им следует уделить особое внимание, так как кроме

органических веществ в своем составе они содержат токсические и ядовитые вещества, загрязняющие водоемы и

угнетающие в них жизнь.

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством непрерывного

самовозобновления под влиянием

солнечной радиации и самоочищения. Оно заключается в перемешивании загрязненной воды со всей ее массой и в дальнейшем процессе минерализации органических веществ и отмирании

внесенных бактерий. Агентами

самоочищения являются бактерии,

грибы и водоросли. Установлено, что в ходе бактериального очищения через 24 часа остается не больше 50% бактерий, через 96 часов - 0,5%. Однако следует учитывать, что для обеспечения самоочищения загрязненных вод необходимо их многократное

разбавление чистой водой. При сильном загрязнении самоочищение воды не происходит. В этих случаях требуются специальные методы и средства

улучшения качества воды, очистки загрязнений, поступающих со сточными водами, с отходами

сельскохозяйственного производства [12].

Одним из эффективных путей уменьшения загрязнения водоемов является создание замкнутых систем водоснабжения, в которых вода используется в производстве

многократно без очистки или после соответствующей обработки,

исключающей образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоем [6]. Для уменьшения попадания коммунально-бытовых сточных вод необходимы строительство новых очистных сооружений и реконструкция старых, строгий контроль со стороны компетентных органов. Для сохранения малых водоемов нужно вести

постоянный квалифицированный

контроль их экологического состояния с выявлением характера развивающихся в них негативных процессов,

установлением причин последних и разработкой рекомендации по оздоровлению экологической ситуации.

Негативное влияние урбанизированных территорий на водоемы не может быть полностью устранено, как невозможно исключить антропогенное воздействие на среду в целом. Единственный путь

сохранения городских водоемов, отвечающих своему функциональному назначению, а также поддержания их в надлежащем санитарном состоянии - это оптимизация взаимодействия в системе «город-водоем» [11]. Для естественных или сильно преобразованных в условиях города водоемов следует стремиться к сохранению их экосистем в состоянии, при котором, несмотря на возможные изменения, они все же не теряют

способности к саморегуляции и самоочищению.

Сегодня на территории Дагестана практически нет водных объектов,

Разработка и выбор

высокоэффективных методов очистки стоков являются сложной инженерной задачей, которую приходится решать инженерам-экологам, работающим на предприятиях и в научно-исследовательских институтах.

деятельностью человека. Охрана вод от загрязнений должна организовываться в целях защиты здоровья населения, обеспечения благоприятных условий водопользования и сохранения экологического благополучия водных объектов[3].

незатронутых

хозяйственной

Примечания

1. Акаев Б.А., Атаев З.В., Гаджиев Б.С. и др. Физическая география Дагестана / Учебное пособие. - М.: Школа, 1996. 2. Водные ресурсы Дагестана: состояние и проблемы / Под. ред. И. М. Сайпулаева, Э. М. Эльдарова - Махачкала, 1996. - 180 с. 3. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Дагестан в 1998 году. - Махачкала: Издательство «Юпитер», 1999. 4. Грибовская И.В., Иванова Е.А. и др. Изучение

гидрохимических и кинетических показателей небольших водоемов в связи с их эвтрофированием // Водные ресурсы. - №1. - М.: Издательство «Наука», 2003. 5. Дмитриев

В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. - СПб., 2004.

- 294 с. 6. Кривошеин Д.И., Кукин П.П., Лапин В.А. и др. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных стоков: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2003. - 344 с.: ил. 7. Львов П.Л. Растительный покров Дагестана. - Махачкала, 1978. - 54 с. 8. Мусатов А.П. Оценка параметров экосистем внутренних водоемов. - М.: Научный мир, 2001. - 192 с. 9. Отчет о современном экологическом состоянии природной среды Приморской низменности (район Махачкала - Каспийск). - Махачкала: Институт прикладной экологии республики Дагестан, 2006. 10. Румянцев В.А., Игнатьева Н.В. Система ранней диагностики кризисных экологических ситуаций на водоемах. - СПб.: ВВМ, 2006. - 152 с. 11. Сохранение природной экосистемы водоема в урбанизированном ландшафте / Под. ред. Е. А. Стравинской. - Л.: Наука, 1984. - 144 с. 12. Степановских A.C. Прикладная экология: охрана окружающей среды. - М.: ЮНИТИ-ДАНА,

2003.- 751 с.

Статья поступила в редакцию 13.05.08 г.