"Мертвое озеро"

Как известно, для роста растений необходимы тепло, свет и питательные вещества, из которых первостепенное значение имеют азот, фосфор, калий, кальций, сера и магний - растворенные в воде, их называют биогенными элементами (биогенами). Наземные растения получают их с почвенными растворами. В водных сообществах - озерах - эти вещества могут поглощаться водорослями прямо из воды.

Рассмотрим упрощенную схему естественного озерного сообщества (Рис.1). На мелководье и вдоль берегов озера растут укоренненые водные растения, такие, как рогоз (1), водяные лилии (2), водоросль хара (3). Они выживают в бедной биогенами воде, так как получают необходимые элементы из донных отложений, но нуждаются в проникновении света достаточного для фотосинтеза сквозь толщу воды. Эти растения вместе с водорослями являются продуцентами прибрежной зоны. Есть здесь и свои консументы (потребители): лягушки (8), прудовики (5), личинки стрекоз (6), рачки-бокоплавы (4) и веслоногие рачки (9). По поверхности воды бегают водомерки (10) и клопы-гладыши (7).

На глубине, на которую проникает солнечный свет (зона фотосинтеза), продуцентами служат разнообразные водоросли (фитопланктон), в том числе динофлагеллаты (13, 14). Этими продуцентами питаются мельчайшие животные (зоопланктон) - циклопы (17), дафнии (15) и коловратки (16), которых поедают мелкие рыбы, например мелкие ушастые окуни (11), в свою очередь являющиеся добычей более крупной рыбы - судака (18) или малоротого окуня (12). Глубоководная зона и донный ил населены бактериями и микроскопическими грибами (19), личинками хирономид (20), двустворчатыми моллюсками (21) и трубочниками (22). Эти организмы питаются мертвым органическим веществом - детритом, поступающим на дно со всего водоема.

Олиготрофные, или бедные биогенами, условия

В природе с суши в водоемы попадают относительно небольшие количества твердых частиц и растворенных веществ. В результате в водоемах, питающихся чистыми реками и ручьями, создаются бедные биогенами условия. Это ограничивает рост фитопланктона, но позволяет бентосной растительности развиваться на глубине до 10 м, обычной для зоны фотосинтеза.

Атмосферный кислород очень медленно растворяется и смешивается с водой. Насыщенная концентрация кислорода в воде при хорошем перемешивании водоема составляет 8-9 мг кислорода на литр воды в зависимости от температуры. Летом она падает до значений 8 мг/л, зимой в более холодной воде эта концентрация близка к 9 мг/л. Бентосные (укоренившиеся) растения не только обеспечивают пищу и убежище водным животным, но и поддерживают высокое содержание растворенного О2 на глубине, так как выделяясь в процессе их фотосинтеза, он попадает непосредственно в воду. Таким образом, в водоеме, обедненном питательными элементами, может существовать богатая, разнообразная экосистема, состоящая из рыб, моллюсков, личинок поденок и ручейников и бентосных растений, которыми они питаются (рис. 1). Если концентрация растворенного кислорода в воде снижается, то эти виды исчезают первыми. К ним относятся также такие рыбы, как форель, окунь и лосось. Хотя потребность различных видов в кислороде неодинакова, для поддержания жизнедеятельности рыб в воде должно содержаться не менее 5 мг/л кислорода.

Обогащение биогенами, эвтрофизация

В условиях эрозии и выщелачивания водоем постепенно заполняется наносами и обогащается биогенами. Накопление биогенов способствует развитию фитопланктона, а значит, помутнению воды и затенению бентосной (растущей на дне) растительности. Наносы еще больше осложняют эту проблему. Кислород, выделяемый планктоном при фотосинтезе, перенасыщает верхний слой воды и улетучивается с ее поверхности. В ясный солнечный день на пруду часто можно наблюдать, как из скоплений нитчатых водорослей всплывают пузырьки кислорода. Таким образом, фотосинтез фитопланктона не пополняет глубинные воды растворенным кислородом.

Более того, у фитопланктона очень короткий жизненный цикл, а это означает, что его постоянный быстрый рост и размножение компенсируются отмиранием, ведущим к накоплению огромного количества детрита. "Дождь" отмершего фотопланктона поставляет его в часть водоема, находящуюся глубже зоны фотосинтеза. Питаясь детритом, бактерии также потребляют в процессе дыхания кислород, сокращая тем самым его содержание в воде. Когда растворенного кислорода не остается, бактерии выживают за счет анаэробного брожения (процесс, в котором вместо кислорода используются превращения серы), т. е. они могут поддерживать содержание кислорода в воде на нуле, пока присутствует детрит, которым они питаются. Следовательно, содержание растворенного кислорода бывает крайне высоким у поверхности за счет фотосинтеза фитопланктона, тогда как на глубине его запасы истощаются бактериями (редуцентами).

Обитатели эвтрофного водоема (рис.2): ряска (1), сине-зеленые водоросли (2, 5), эвглена зеленая (3), инфузория туфелька (4) устойчивы к высоким уровням загрязнений, развиваются при повышенной температуре и избытке растворенных в воде органических веществ; такие беспозвоночные как планария (6), личинка комара-дергуна (7), трубочник (8) являются редуцетами, разлагающие отмершие останки в иле и могут обходиться без кислорода, переходя на хемосинтез, основанный на реакциях серы.

"Дождь" фитопланктона переносит усвоенные им биогены на дно, но по мере разложения детрита они вновь высвобождаются. Поскольку холодная, более плотная вода опускается вниз, а теплая поднимается вверх, возникают конвекционные потоки, возвращающие биогены к поверхности, и весь процесс неоднократно повторяется.

Эвтрофизацией называется процесс обогащения водоема биогенами, стимулирующими рост фитопланктона. От этого вода мутнеет, гибнут бентосные растения, сокращается концентрация растворенного кислорода, задыхаются обитающие на глубине рыбы и моллюски. Озера с большим количеством биогенных элементов называют эвтрофными (от греческих слов "eu" - "хорошо" и "trophe" - "пища"). К помутнению воды ведут также и наносы, так как биогены, например нитрат-, фосфат- и калий-ионы, прикрепляются к частицам глины и гумуса, следовательно, они неизбежно сопутствуют наносам, и все источники последних одновременно служат источниками биогенов.

Озера, подверженные эвтрофизации, иногда называют "мертвыми", но с биологической точки зрения это неправильно, так как общая биопродуктивность фитопланктона может быть значительно выше, чем у бентосной растительности. В свою очередь им иногда питаются крупные популяции некоторых рыб, избегающих глубоких, обедненных кислородом слоев воды. Значит, правильнее рассматривать эвтрофизацию как смену сплошной, богатой видами экосистемы, основанной на бентосной растительности, на простую, основанную на фитопланктоне. Однако, поскольку эвтрофный водоем не доставляет эстетического удовольствия от плавания, катания на лодках и рыбной ловли, его можно считать "мертвым" с этой точки зрения. Кроме того, если озеро служит источником питьевой воды, ее качеству грозит серьезная опасность: клетки водорослей быстро забивают водоочистные фильтры и придают воде неприятный вкус.

Естественная и антропогенная эвтрофизация

В геологических масштабах времени водоемы постепенно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами. Таким образом, эвтрофизация водоемов - составная часть естественного процесса. Люди значительно ускорили его. За несколько десятилетий они привели к изменениям, которые в природных условиях происходили бы тысячи лет. Поэтому можно говорить об антропогенной эвтрофизации, вызванной и ускоренной деятельностью человека, противопоставляя ее естественной.

Мы привыкли почти автоматически сваливать все связанные с загрязнением проблемы на промышленный выброс ядовитых соединений. Однако эвтрофизация вызывается тем, что всегда считалось безвредным, - почвенными частицами и удобрениями.

Итак, причина эвтрофизации - поступление наносов и биогенов. Опыт показывает, что если его сократить, существующие количества постепенно стабилизируются или будут вынесены из системы. Значит, в водоеме могут со временем восстановиться олиготрофные (бедные биогенами) условия.

Источники наносов и биогенов.

Источник всех наносов - почвенная эрозия. Где бы она ни происходила, количество твердых осадков, выносимых ручьем и реками в озера, заливы, эстуарии и, наконец, в океан, возрастает.

Основные источники эрозии: 1) пашни; 2) пастбища, страдающие от перевыпаса; 3) площади, на которых сведен лес; 4) стройплощадки; 5) карьеры; 6) овражная и береговая эрозия; 7) прочие источники: обнаженные участки почвы вокруг школ, домов, магазинов, вдоль дорог, где земля после застройки оголена, а растительность не восстановлена; такие участки обычно не зарастают сами собой и непрерывно подвергаются эрозии. Каждый из них может быть не очень большим, но в совокупности они дают значительную часть наносов.

Основные источники биогенов: 1) наносы; 2) удобрения, вымываемые с полей; 3) удобрения, вымываемые с газонов и из садов; 4) отходы животноводства, смываемые с пастбищ, ферм, из конюшен и других мест скопления животных, так как любые отходы животного происхождения, включая и человеческие, - богатый источник биогенов; 5) смываемые из городов и пригородов отходы домашних животных. Плотность последних в городах по меньшей мере в 100 раз выше, чем в диких популяциях видов таких же размеров в естественных экосистемах. Экскременты домашних животных наряду с удобрениями, вымываемыми с газонов и из садов, делают поверхностный сток из городских и пригородных районов одним из важнейших источников биогенов; 6) канализационные стоки. Несмотря на то, что в развитых странах большая часть канализационных стоков очищается, системы их очистки, существующие в настоящее время, не предусматривают устранения биогенов, и те попадают в водотоки вместе с обработанной водой. Значит, очистные сооружения - один из важнейших источников биогенов; 7) фосфатсодержащие детергенты. В водных экосистемах фосфат часто является лимитирующим фактором, поэтому его содержание имеет особое значение. Подсчитано, что человеческие экскременты дают только 30% фосфата сточных вод, а 60% поступают в них с детергентами. Обычное мыло, реагируя в воде с кальцием, дает нерастворимый творожистый осадок (вспомните след вокруг сливного отверстия ванны). Когда появились современные стиральные машины с центрифужным механизмом сушки, этот осадок стал оставаться на белье, поэтому мыло вытеснили детергенты. Их молекулы состоят из длинной углеводородной цепочки, хорошо растворимой в жирах, с одной стороны, и прекрасно растворимой в воде фосфатной группы - с другой. Такая молекула захватывает жирное или маслянистое вещество и переносит его в водный раствор, не осаждаясь при этом в жесткой воде. Фосфат прекрасно подходит для водорастворимой части детергента, так как не дорог и не токсичен. Но в настоящее время стали доступными его заменители; 8) кислотные дожди. Они дают существенную часть азота, поступающего в водоемы, так как азотная кислота - один из важнейших их компонентов.

Какой их этих источников наиболее важен, очевидно, зависит от соотношения населенных пунктов и ферм в регионе.