"Биология. Биологические системы и процессы (профильный уровень) ", Теремов А.В., Петросова Р.А.
Вода необходима организмам и поддерживает существование целых экосистем, но загрязнители из городов, промышленности и сельского хозяйства меняют её свойства. Органические отходы могут лишать водоём кислорода, а соединения азота и фосфора вызывают чрезмерное размножение водорослей. Загрязнение бывает механическим, химическим, биологическим и тепловым. Чтобы сохранить водные ресурсы, важно сокращать поступление загрязнителей, очищать стоки и учитывать ограниченные возможности самоочищения водоёмов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Загрязнение водной среды — поступление в водоёмы веществ и организмов, изменяющих свойства воды и нарушающих жизнь водных сообществ. Иными словами, вода может стать непригодной для отдельных организмов даже тогда, когда изменение незаметно глазу. Это понятие помогает оценивать не только внешний вид воды, но и её влияние на экосистему.
Эвтрофикация — обогащение водоёма биогенными элементами, прежде всего соединениями азота и фосфора, которое вызывает чрезмерное развитие водорослей и цианобактерий. Такие элементы необходимы организмам, но их избыток нарушает равновесие экосистемы. Термин нужен, чтобы описывать цепочку последствий поступления удобрений и сточных вод.
Биологическое потребление кислорода (БПК) — количество кислорода, расходуемого микроорганизмами на разложение органических веществ в воде за заданное время. Чем больше доступной органики, тем активнее может идти её разложение и тем выше потребность бактерий в кислороде. Показатель используют для оценки органического загрязнения и риска кислородного дефицита.
Биологическая очистка сточных вод — удаление загрязнителей с помощью микроорганизмов, разлагающих органические вещества. Микроорганизмы получают из загрязнений вещества для питания и превращают их в более простые соединения. Такой способ нужен для снижения нагрузки на водоём до сброса очищенных стоков.
Загрязнители попадают в водоёмы разными путями: со сточными водами, поверхностным стоком с полей и улиц, промышленными сбросами и бытовым мусором. Дождь и талая вода смывают вещества с водосбора в ручьи и реки, а реки переносят их дальше. Некоторые загрязнения сначала оказываются в воздухе и затем оседают на поверхность воды или земли. Поэтому для защиты водоёма важно учитывать не только источники непосредственно на берегу.
Механическое загрязнение связано с частицами и мусором, химическое — с веществами, меняющими состав воды, биологическое — с организмами, включая возбудителей болезней. Тепловым называют изменение температуры из-за поступления нагретых вод. Различие важно, потому что каждому типу соответствуют свои последствия и способы предупреждения. При этом один источник может одновременно вызывать несколько видов загрязнения.
Когда в водоём поступает много органики, микроорганизмы начинают активнее её разлагать. Для этого процесса им нужен кислород, поэтому растёт БПК, а содержание растворённого кислорода может снижаться. Если его становится слишком мало, рыбам и другим организмам трудно дышать, и часть из них погибает или покидает участок. Так органические стоки влияют на жизнь водоёма не только непосредственно, но и через изменение кислородного режима.
Соединения азота и фосфора служат питательными веществами для водорослей и цианобактерий. При их избытке начинается массовый рост этих организмов — эвтрофикация; затем часть биомассы отмирает и становится пищей для бактерий-разлагателей. На разложение расходуется кислород, поэтому «цветение» воды может смениться его дефицитом и ухудшением условий для животных. Значит, последствия определяются не одним ростом водорослей, а всей последовательностью процессов.
В водоёме идут процессы самоочищения: вода разбавляет загрязнители, частицы оседают, а организмы разлагают некоторые вещества. Но способности экосистемы перерабатывать загрязнения не безграничны, и скорость восстановления зависит от условий. Если сбросы регулярны или их объём слишком велик, загрязнители накапливаются быстрее, чем удаляются. Поэтому природное самоочищение дополняет, но не заменяет очистку сточных вод и сокращение сбросов.
| Тип загрязнения или загрязнитель | Основные источники | Воздействие на водную среду | Меры предупреждения или снижения |
|---|---|---|---|
| Механическое загрязнение: взвешенные частицы и мусор | Поверхностный сток с улиц и полей, строительные работы, бытовой мусор | Мутность снижает проникновение света; частицы могут оседать на дне и вредить организмам | Улавливать мусор и взвеси, очищать ливневые стоки, не оставлять отходы у воды |
| Органические вещества | Бытовые и пищевые стоки, навоз, отходы производства | Разложение повышает БПК и может вызвать нехватку кислорода | Очищать стоки, сокращать поступление органики, применять биологическую очистку |
| Соединения азота и фосфора | Удобрения, бытовые стоки, некоторые промышленные сбросы | Ускоряют эвтрофикацию и могут привести к кислородному дефициту | Удалять биогенные элементы при очистке, разумно вносить удобрения, создавать прибрежные защитные полосы |
| Токсичные химические вещества и нефтепродукты | Промышленные аварии и сбросы, транспорт, утечки топлива | Могут отравлять организмы и накапливаться в пищевых цепях | Контролировать сбросы, предотвращать утечки, собирать нефтяную плёнку и очищать стоки |
| Патогенные микроорганизмы | Неочищенные бытовые и животноводческие стоки | Повышают риск инфекций у человека и животных | Очищать и обеззараживать стоки, контролировать качество воды |
| Нагретые сбросные воды | Охлаждение оборудования на электростанциях и предприятиях | Повышают температуру и могут менять условия жизни организмов и содержание кислорода | Охлаждать воду до сброса, использовать оборотные системы водоснабжения |
Таблица помогает связать тип загрязнителя с его источником и последствиями, а затем подобрать подходящую меру. При анализе конкретного водоёма учитывают, что одновременно могут действовать несколько источников. Поэтому одного способа очистки часто недостаточно.
В водоём поступили бытовые сточные воды с большим количеством органических веществ. Нужно определить, как изменится кислородный режим и что произойдёт с организмами. Одного факта о наличии органики недостаточно: проследим, что с ней происходит после попадания в воду.
Ответ: высокая органическая нагрузка может вызвать дефицит растворённого кислорода. Рыбы и другие водные организмы будут испытывать нехватку кислорода; при сильном снижении его уровня возможна их гибель.
После внесения удобрений на поле в расположенном ниже по течению озере началось массовое развитие водорослей. Нужно определить причину этого явления и возможные последствия. Важно связать участок поля с озером через перенос веществ водой.
Ответ: вероятная причина — поступление в озеро азота и фосфора с сельскохозяйственным стоком. Цветение может смениться дефицитом кислорода, ухудшением условий для рыб и других организмов. Чтобы снизить риск, нужно уменьшить смыв удобрений и очищать стоки.
В водоёме выявлены высокая БПК, избыток соединений фосфора и патогенные микроорганизмы. Требуется предложить меры, которые устранят причины показателей и уменьшат вероятность повторного ухудшения. Каждый признак указывает на свою проблему, поэтому одной общей меры недостаточно.
Ответ: необходимы очистка органических стоков, удаление фосфора и обеззараживание. Следует также выявить источники каждого загрязнителя и контролировать эффективность очистных сооружений. Такой подход снижает загрязнение и уменьшает вероятность его повторного поступления.
Ошибка: считать прозрачную воду чистой. Так думают, потому что видимые частицы и мутность действительно могут указывать на загрязнение. Но растворённые токсичные вещества и патогенные микроорганизмы не обязательно заметны. Проверка: отличайте зрительную оценку от анализа состава воды и микробиологических показателей.
Ошибка: путать высокую БПК с высоким содержанием кислорода. Слово «кислород» в названии показателя может создать впечатление, что измеряется его запас в водоёме. На самом деле БПК показывает количество кислорода, которое потребуется микроорганизмам для разложения органики за заданное время. Проверка: спрашивайте себя, говорится о фактическом содержании кислорода или о его расходе.
Ошибка: объяснять эвтрофикацию только ростом водорослей. Цветение заметно, поэтому на нём часто останавливаются, забывая о последующих изменениях. Отмершая биомасса разлагается, и микроорганизмы расходуют кислород, создавая угрозу животным. Проверка: проследите процесс до разложения водорослей и оценки кислородного режима.
Ошибка: считать, что самоочищение устраняет любое загрязнение. В природе действительно разбавляются и оседают некоторые загрязнители, а органику разлагают организмы. Это может создать впечатление, что водоём восстановится при любом сбросе. Проверка: сравните объём и постоянство поступления загрязнений с ограниченными возможностями экосистемы; при чрезмерной нагрузке необходимы меры человека.
Чтобы понять загрязнение водоёмов, нужно знать круговорот веществ: он показывает, как соединения перемещаются между сушей и водой. Представления о пищевых цепях помогают проследить, как загрязнители воздействуют на организмы и могут передаваться между ними. Роль микроорганизмов в разложении органики объясняет изменение БПК и кислородного режима. Тема также связана с экологией популяций и экосистем, устойчивым природопользованием и технологиями очистки сточных вод.
Почему после цветения воды может погибнуть рыба?
При избытке азота и фосфора быстро размножаются водоросли и цианобактерии. Когда они отмирают, бактерии разлагают их органические остатки и расходуют растворённый кислород. Его дефицит может привести к гибели рыб и других водных организмов.
Чем БПК отличается от содержания растворённого кислорода?
Содержание растворённого кислорода показывает его фактическое количество в воде. БПК показывает, сколько кислорода микроорганизмам потребуется для разложения органики за заданное время. Поэтому высокая БПК означает повышенную потребность, а не большой запас кислорода.
Как удобрения с полей попадают в озёра и реки?
Дождь и талая вода смывают растворённые соединения азота и фосфора с полей. Они попадают в ручьи и реки, а затем переносятся вниз по течению в озёра и другие водоёмы. Снизить такой сток помогают разумное внесение удобрений и защитные полосы растительности у берегов.
Может ли водоём полностью очиститься от загрязнения самостоятельно?
Нет, возможности самоочищения ограничены: часть веществ разбавляется или оседает, а органику разлагают микроорганизмы. При постоянном поступлении большого количества загрязнителей эти процессы не успевают восстановить качество воды. Поэтому необходимы предупреждение загрязнения и очистка стоков.
Какие этапы очистки сточных вод помогают защитить водоёмы?
Сначала из стоков удаляют крупный мусор и взвешенные частицы, затем отделяют часть растворённых и мелких загрязнителей. При биологической очистке микроорганизмы разлагают органические вещества, а специальные процессы могут снизить содержание соединений азота и фосфора. Перед сбросом стоки при необходимости обеззараживают.
§69. Загрязнение водной среды. Охрана водных ресурсов
