СТАТЬИ

Кондиционирование воды в природе: как оно происходит?

Сегодня термин «кондиционирование» обычно связывают с кондиционированием воздуха. Но можно говорить и о кондиционировании воды, т.е. о формировании ее полезных качеств. Анализ, проведенный в статье, позволяет более полно увидеть важнейшую роль водных организмов в сохранении водных объектов и источников водоснабжения в хорошем или, по крайней мере, удовлетворительном состоянии.

Водопользование — это крупномасштабный цикл, включающий и технологические, и природные процессы. Начальные или предварительные стадии водоподготовки протекают в природных водных объектах — водоемах, водотоках, экосистемах, где идет формирование качества воды, используемой далее для питьевых, промышленных и иных целей. Заключительные стадии водоочистки также происходят в природе, т.е. в тех водных объектах, куда сбрасываются использованные воды после прохождения ими той или иной степени очистки в специальных сооружениях. Поэтому понимание природных механизмов формирования качества воды, ее очищения и кондиционирования имеет большое значение для оптимальной организации всего цикла водопользования в широком смысле слова.

Для формирования качества воды, ее очищения в водных экосистемах важны физические, химические и биотические процессы [1–3, 7, 13, 15, 16]. Многие из физических и химических процессов регулируются биологическими факторами или в определенной мере подвержены их воздействию. Например, масштабы сорбции загрязняющих веществ оседающими частицами взвесей зависят от концентрации клеток фитопланктона; фотохимические процессы разрушения веществ протекают при условии прозрачности воды, а прозрачность обеспечивается фильтрационной активностью гидробионтов. Таким образом, биотические процессы и факторы находятся в центре всего механизма самоочищения воды.

В самоочищении водных экосистем и формировании качества воды участвуют микроорганизмы, фитопланктон, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы. Важно, что каждая из этих групп организмов вовлечена в несколько процессов системы самоочищения. Эти группы организмов равным образом важны для нормального протекания процессов самоочищения.

Механизмы самоочищения воды

Можно выделить три основных механизма самоочищения водных экосистем:

• фильтрационная активность, или фильтры [7, 14];
• механизмы переноса, перекачивания химических веществ из одной экологической среды в другую;
• расщепление молекул загрязняющих веществ [16].

Механизмы фильтров — это: а) совокупность беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов; б) сообщества высших водных растений (макрофитов), которые задерживают часть биогенов (азот, фосфор) и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории; в) бентос, задерживающий и поглощающий часть биогенов и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода/донные осадки; г) микроорганизмы, сорбированные на взвешенных частицах, перемещающихся относительно водной массы вследствие гравитационного оседания частиц под действием сил тяжести; в результате водная масса и микроорганизмы перемещаются относительно друг друга, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микроорганизмами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены [7, 16].

Механизмы переноса включают в себя: а) функциональный насос, способствующий перемещению части поллютантов из водной толщи в донные осадки (седиментация, сорбция); б) функциональный насос, обеспечивающий перемещение части поллютантов из водной толщи в атмосферу — испарение; в) функциональный насос, определяющий перемещение части биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем — совокупность миграционных процессов в связи с вылетом из воды взрослой стадии (имаго) тех насекомых, у которых личиночная стадия была проведена в воде; г) аналогичный функциональный насос, перемещающий часть биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем — в связи с питанием рыбоядных птиц гидробионтами (рыбой); при питании рыбоядные птицы изымают биомассу рыб из водной экосистемы и тем самым выносят из воды биогенные элементы, содержащиеся в этой биомассе, поскольку эти птицы гнездятся на территории, окружающей водоем или водоток [16].

К механизму расщепления загрязняющих веществ относятся: а) мельница внутриклеточных ферментативных процессов; б) мельница внеклеточных ферментов, находящихся в водной среде; в) мельница фотохимических процессов, сенсибилизированных веществами биологического происхождения; г) мельница свободно-радикальных процессов с участием лигандов биологического происхождения [7].

Источники энергии самоочищения воды

Для энергообеспечения биотических процессов самоочищения используются такие источники энергии, как фотосинтез; окисление автохтонной органики (органического вещества, образуемого внутри водной экосистемы автотрофными организмами); окисление аллохтонной органики (того органического вещества, которое попадает в воду извне — например, при смыве воды и частиц почвы с окружающей водоем территории); другие окислительно-восстановительные реакции. Таким образом, задействованы практически все доступные источники энергии. Часть энергообеспечения идет за счет окисления тех самых компонентов (растворенное и взвешенное органическое вещество), от которых система избавляется. Иными словами, энергетика процессов самоочищения напоминает энергосберегающие технологии [16].

Надежность самоочищения воды

Надежность системы нередко обеспечивается благодаря дублированию многих компонентов системы. Это выявляется при анализе функционирования водных экосистем. Например, фильтрационная активность гидробионтов продублирована следующим образом: ее осуществляют две большие группы организмов — планктон (в толще воды) и бентос (организмы, живущие на дне водоема). Обе группы организмов фильтруют воду со значительной скоростью [1, 13]. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в пелагиали (толще воды) планктонных организмов благодаря тому, что личинки многих бентосных фильтраторов ведут планктонный образ жизни. В составе планктона имеются две большие группы многоклеточных беспозвоночных фильтраторов — ракообразные [13] и коловратки [7, 15], которые дублируют друг друга. Есть еще одна большая группа организмов с несколько иным типом питания (простейшие); эта группа организмов также фильтрует воду наряду с фильтрационной активностью многоклеточных фильтраторов (ракообразных и коловраток). Фильтрация воды параллельно ведется и другими организмами.

Процессы ферментативного разрушения поллютантов — еще один центральный механизм самоочищения воды — параллельно ведут бактерии и грибы. Функцию окисления растворенной органики одновременно осуществляют почти все гидробионты, в той или иной степени способные к поглощению и окислению растворенного органического вещества (хотя имеется специфика в активности конкретных групп организмов).

Еще один важный элемент надежности — саморегуляция биоты.

Регуляция самоочищения воды

Практически все организмы, активно осуществляющие процессы, ведущие к самоочищению, регулируются двояким образом — с одной стороны, доступностью пищевых ресурсов; с другой стороны, организмами последующего трофического звена в пищевой цепи. Регулирующая роль организмов может эффективно исследоваться с помощью предложенного нами метода ингибиторного анализа регуляторных взаимодействий в трофических цепях [5, 14].

В механизмах регуляции экосистемы значительную роль играют различные формы сигнализации, в т.ч. химические вещества-носители информации. Было предложено называть такие вещества экологическими хеморегуляторами и экологическими хемомедиаторами [3].

Скорость некоторых процессов самоочищения зачастую значительно ниже максимально возможной, на которую способны гидробионты. Например, наблюдаемая скорость фильтрации воды не настолько велика, чтобы до конца извлекать из нее частицы взвешенного органического вещества. Для многих фильтраторов показано снижение скорости фильтрации при нарастании концентрации частиц взвешенного вещества [13]. Однако, такая регуляция механизма самоочищения, приводящая к уменьшению скоростей тех или иных биотических процессов, в конечном итоге может нести позитивную функцию, поскольку обеспечивает определенный баланс, нарушение которого может оказаться опасным.

Например, осуществление излишне быстрого разрушения органических веществ в воде в результате ускоренного их окисления микроорганизмами может привести к экологически нежелательному результату — быстрому исчерпанию растворенного в воде кислорода, что вызовет гибель многих аэробных организмов. Другой пример: излишне быстрая фильтрация воды гидробионтами может привести к резкому снижению численности в воде взвешенных в ней микроорганизмов, которые осуществляют многие процессы, важные для самоочищения.

Залог стабильности всей водной экосистемы

Очищение воды и постоянное возобновление (репарация) ее качества являются важнейшим элементом самоподдержания стабильности всей водной экосистемы. Постоянно идущие процессы восстановления качества воды и ее самоочищения совершенно необходимы для сохранения свойств и поддержания стабильности экосистемы, ибо эти процессы противостоят тому, что постоянно происходят и противоположные процессы, которые ведут к ухудшению качества воды.

Действительно, в воду всех природных водных объектов постоянно поступают органические (автохтонные и аллохтонные) вещества; поступают также биогены (P, N) с окружающей территории, с водой притоков и с выпадающими из воздуха осадками и частицами; идет процесс поступления в водоем азота в результате постоянной деятельности азотфиксаторов (например, азотфиксирующих цианобактерий). Если эти спонтанные процессы ухудшения качества воды перестанут уравновешиваться постоянно действующей активностью гидробиологического механизма восстановления качества воды и ее самоочищения, то в водном объекте со временем усилится опасность снижения качества воды (угроза нарастания уровня загрязнения воды, эвтрофирования водного объекта).

Как водная экосистема реагирует на внешние воздействия?

Система процессов самоочищения и формирования качества воды лабильна [4, 6, 7] и легко перестраивается при изменении внешних условий, что затрудняет выявление общих закономерностей ее функционирования. Наши экспериментальные работы показали существование важного элемента лабильности одного из конкретных процессов — фильтрации воды гидробионтами, в т.ч. моллюсками и коловратками [4, 6, 7, 14]. Как показали наши опыты по воздействию катионного поверхностно-активного вещества тетрадецилтриметиламмоний бромида и синтетических моющих средств на водных беспозвоночных (моллюсков и коловраток), эти процессы фильтрации ингибировались при воздействии сублетальных концентраций антропогенных поллютантов: ПАВ и ПАВ-содержащих смесевых препаратов. Есть указания на аналогичное действие и других поллютантов на моллюсков и фильтраторов зоопланктона [7]. Это свидетельствует об опасности снижения эффективности механизма самоочищения воды в условиях антропогенных воздействий на водные экосистемы [7, 11, 14, 16].

Аналог биореактора?

Особенности механизма самоочищения воды аналогичны биореактору [4, 16]. Эта аналогия представляется обоснованной и привлекательной, но она освещает лишь одну из сторон сущности водных экосистем. Она имеет право на существование и до определенной степени полезна [4], но все же не может претендовать на всесторонний охват сущности водных экосистем в их многообразии и переменчивости.

Необходимо подчеркнуть биокосный — т.е. интегрирующий воздействие и биотических, и абиотических факторов — характер регуляции многих важных процессов перемещения химических элементов в водных экосистемах. Потому что очень важны оба компонента — биотический и абиотический. Для водных экосистем характерна значительная вариабельность практически всех основных параметров и практически отсутствие константных количественных характеристик. Это не позволяет проводить полную аналогию с техническим устройством.

Итак, с определенными оговорками заключаем, что система процессов, ведущих к самоочищению водной экосистемы, подобна высокотехнологичному механизму и эту систему можно рассматривать как биореактор, выполняющий важные для экосистемы функции. Однако, эта аналогия освещает лишь одну из сторон функционирования экосистем водоемов и водотоков.

Выводы

Используя изложенную теорию и данные нашей экспериментальной работы и других публикаций, можно сформулировать рекомендации, важные для оптимального управления водными ресурсами и сохранения водно-биологических ресурсов.

1. Необходимым элементом природоохранной стратегии должно быть сохранение самоочистительного потенциала водоемов и водотоков.
2. Необходимо сохранять все разнообразие водных организмов в экосистемах.
3. Поскольку в процессах очищения воды активно участвуют организмы и наземных экосистем, пограничных с водоемами и водотоками, то для сохранения качества воды необходима охрана биоразнообразия и этих прибрежных наземных экосистем.
4. Природоохранная стратегия на акватории охраняемых водоемов должна включать не просто сохранение генофонда и популяций водных организмов, но и сохранение уровня функциональной активности этих популяций (имеется в виду та функциональная активность популяций, которая вносит вклад в поддержание качества воды и тем самым в поддержание стабильности всей водной экосистемы).
5. Обнаружены новые типы опасности химического загрязнения водных объектов.
6. При решении проблемы эвтрофирования водных экосистем необходимо учитывать наши предложения о синэкологическом подходе.
7. Понятие антропогенного ущерба окружающей среде должно включать в себя, наряду с другими факторами, ущерб, вызванный антропогенным снижением самоочистительного потенциала водоемов и водотоков. Это вносит новый элемент в интерпретацию экологического законодательства — как международных законодательных и юридических документов, так и экологического законодательства Российской Федерации.
8. Теория дает новый подход к проведению более полной экономической оценки антропогенного ущерба, наносимого водным экосистемам и обитающим в них организмам на основе экономической оценки ущерба организмам, участвующим в самоочищении водных экосистем.
9. Можно предсказать обнаружение новых случаев того, что загрязняющие вещества могут создавать опасность снижения способности водных экосистем к самоочищению.

Экологи и гидробиологи продолжают изучение природных механизмов очищения воды, которые могут оказаться полезными для целей оптимального и устойчивого использования водных ресурсов, водоснабжения и водоочистки. Приглашаем заинтересованные организации к сотрудничеству. Одной из форм сотрудничества и союза науки и практики может быть участие в новой конференции и выставке «Водные экосистемы, организмы, технологии», которую мы планируем провести в Москве в 2005 г.

Литература

1. А.Ф. Алимов. Функциональная экология пресноводных двустворчатых моллюсков. Л.: Наука, 1981, 248 с.
2. А.Ф. Алимов. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб.: Наука, 2000, 147 с.
3. С.A. Oстроумов. Введение в биохимическую экологию. М.: Изд-во МГУ, 1986, 176 с.
4. С.А. Остроумов. Водная экосистема: крупноразмерный диверсифицированный биореактор с функцией самоочищения воды. Доклады РАН, 2000, т. 374, №3, с. 427–429.
5. Остроумов С.А. Ингибиторный анализ регуляторных взаимодействий в трофических цепях. Доклады РАН, 2000, т. 375, №6, с. 847–849.
6. С.А. Остроумов. Концепция водной биоты как лабильного и уязвимого звена системы самоочищения воды. Доклады РАН, 2000, т. 372, №2, с. 279–282.
7. С.А. Остроумов. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. М.: МАКС-Пресс, 2001, 334 с.
8. С.А. Остроумов. Синэкологические основы решения проблемы эвтрофирования. Доклады РАН, 2001, т. 381, №5, c. 709–712.
9. С.А. Остроумов. Сохранение биоразнообразия и качество воды: роль обратных связей в экосистемах. Доклады РАН, 2002, т. 382, №1, c. 138–141.
10. С.А. Остроумов. Система принципов для сохранения биогеоценотической функции и биоразнообразия фильтраторов. Доклады РАН, 2002, т. 383, №5, c. 710–713.
11. С.А. Остроумов. Идентификация нового вида опасности химических веществ: ингибирование процессов экологической ремедиации. Доклады РАН, 2002, т. 385, №4, c. 571–573.
12. С.А. Остроумов. О функциях живого вещества в биосфере. Вестник РАН, 2003, т. 73, №3, с. 232–238.
13. Л.М. Сущеня. Количественные закономерности питания ракообразных. Минск: Наука и техника, 1975, 208 с.
14. S.A. Ostroumov. Inhibitory analysis of top-down control: new keys to studying eutrophication, algal blooms, and water self-purification. Hydrobiologia, 2002, Vol. 469, p. 117–129.
15. R.G. Wetzel. Limnology: Lake and River Ecosystems. San Diego: Academic Press, 2001, 1006 p.
16. С.А. Остроумов. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории. Доклады РАН, 2004, т. 396, №1, с. 136–141.
17. Р.З. Хамитов, С.А. Остроумов. О некоторых задачах в области сохранения водных ресурсов, управления ими и создания. Научных основ и научно-организационных предпосылок для их устойчивого использования. Водные экосистемы и организмы. 2004, т. 7, с. 94.

C.O.K. N 8 | 2004г.
Рубрика: САНТЕХНИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ
С.А. ОСТРОУМОВ, д.б.н., член Российской академии естественных наук, МГУ им. М. В. Ломоносова, биофак, каф. гидробиологии

Все статьи