Прибрежные растения в очищении водоемов от загрязняющих веществ

            Основными источниками загрязнения водоемов являются  хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки. Хозяйственно-бытовые и сельскохозяйственные стоки содержат большое количество всевозможных органических веществ, детергентов, пестицидов, минеральных удобрений и продуктов их распада, тогда как промышленные – огромный набор разнообразных химических соединений, большинство которых являются токсичными.

* * *

            Загрязнения водоемов подразделяют на аллохтонные – вносимые извне, и  автохтонные –  собственные загрязнения.  Автохтонное загрязнение происходит в результате жизнедеятельности водных организмов, в том числе и прибрежно-водной растительности. После отмирания в среду поступают их метаболиты, биогенные вещества и продукты распада. Аллохтонные загрязнения – это все то, что приносят в водоемы сточные воды, поверхностные стоки, дождевые и воздушные массы.

Особой формой загрязнения является эвтрофирование водоемов, то есть обогащение их биогенными веществами, что приводит к интенсивному развитию водорослей и прибрежных растений. Это чаще всего происходит за счет поступления в водоемы бытовых и сельскохозяйственных стоков. Способность водной растительности к накоплению и использованию этих веществ (прежде всего фосфора и азота) делает их активными участниками процесса самоочищения природных вод.

Загрязнение водоемов приводит к изменению структуры сообществ, их видового и количественного состава. Интенсивные загрязнения сельскохозяйственными и бытовыми стоками приводят к зарастанию и заболачиванию водоемов, а промышленными –  к нарушению и полной деградации биоценозов.

            Водоемы обладают уникальным свойством – способностью к самоочищению. Это комплекс воздействия химических, физических и биологических факторов на экосистему водоема, в результате деятельности которых качество воды приходит к первоначальному (или близкому к нему) состоянию. Разумеется, это наблюдается при небольшой степени загрязнения водоемов.

К физическим факторам относятся такие процессы, как седиментация (осаждение) взвешенных веществ, ветровые перемешивания, течения, колебания температур и др. Химические процессы самоочищения – это окисление и распад органических веществ в водоеме, которые приводят к появлению в среде относительно простых соединений (аммиак, углекислота, нитраты, сульфаты, фосфаты, метан). Они в дальнейшем утилизируются различными микроорганизмами. Биологическое самоочищение водоемов осуществляется за счет жизнедеятельности растений, животных, грибов, бактерий и тесно связано с физико-химическими процессами.

            Самоочищение водоемов осуществляется в анаэробных и аэробных условиях. Анаэробно (без участия кислорода) протекают процессы разрушения органических веществ, с преимущественным  участием бактерий, грибов и простейших. В этом случае в процессе распада органического материала в среде накапливают  промежуточные продукты (аммиак, сероводород, низкомолекулярные жирные кислоты и др.), которые при наличии кислорода окисляются далее.

            В аэробных условиях разрушение органического субстрата осуществляется в присутствии кислорода до простых соединений, которые в дальнейшем вовлекаются в биотический круговорот. В этом процессе принимают участие практически всё население водоемов. Большую роль в процессах самоочищения загрязненных вод играют прибрежно-водные растения.

            Прибрежно-водная растительность, выделяя при фотосинтезе кислород, оказывает благотворное влияние на кислородный режим прибрежной зоны водоема. Обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли активно участвуют в очистке воды. В зарослях прибрежно-водных растений развивается фитофильная фауна, которая также принимает участие в самоочищении толщи воды и донных отложений; организмы бентоса (дна) утилизируют органическое вещество илов и обитающих там бактерий. Под влиянием этих процессов в воде повышается содержание растворенного кислорода, возрастает ее прозрачность и содержание биогенных веществ, снижается  минерализация воды и количество промежуточных продуктов распада органического вещества.

            В последние годы прибрежная растительность (макрофиты) стала успешно использоваться  в практике очистки вод от биогенных элементов, фенолов, ароматических углеводородов, микроэлементов, нефти и нефтепродуктов, тяжелых металлов, различных минеральных солей из сточных вод, в обеззараживании животноводческих стоков от разных форм патогенных микроорганизмов.

Роль прибрежно-водных растений в самоочищении водоемов в общем виде можно свести к следующему:

Механическая очистительная функция, когда в зарослях растений задерживаются взвешенные и слаборастворимые органические вещества;
Минерализация и окислительная функция;
Детоксикация органических загрязнителей.

       Механическая очистительная функция. Вместе с поверхностными стоками в водоемы поступает большое количество взвешенных и слаборастворимых органических и минеральных веществ. Прибрежно-водная растительность вместе с животными-фильтраторами (моллюсками, зоопланктоном) выполняет роль механического фильтра.

Эффективность действия фильтрующего барьера определяется густотой фитоценоза (т.е., количеством побегов на единицу площади), наличием у растений водных корней и степени их развития, формой и величиной листьев и общей поверхностью растений. Это приводит к уменьшению скорости течения в зоне зарослей и оседанию взвешенных частиц.

Оседанию взвеси способствует слизь на поверхности растений. Растения способны утилизировать и включать в свой метаболизм некоторое количество осевших на их поверхности органических и минеральных взвесей, в том числе и токсичных соединений. Часть их  инактивируется в растительных тканях и  аккумулируется в надводных и подземных органах растений. Некоторые соединения, такие как фенолы, ароматические углеводороды выделяются в атмосферу через устьица. Стебли и листья растений образуют огромную поверхность для развития обрастателей (перифитона), которые выполняют активную роль в очистке воды.

            Большое значение имеет наличие у некоторых растений водных корней. У тростника, к примеру, они образуются под водой в узлах побегов. Общая поверхность этих корней в зависимости от числа побегов  может в 10-15 раз превышать площадь, занимаемую растениями. Роль водных корней в очистке воды от растворенных и взвешенных частиц чрезвычайно велика. Так, в лабораторных экспериментах заросли тростника и рогоза задерживали водными корнями до 90% взвешенных веществ, содержащихся в животноводческих стоках (Кроткевич, 1982). Эти исследования свидетельствуют о больших возможностях использования прибрежно-водной растительности для защиты водоемов от взвешенного материала, содержащегося в сточных водах.

            На растениях хорошо задерживаются не только взвешенные частицы, но и органические эмульсии, жировые и нефтяные пленки. Они вместе с минеральными частицами и органическими суспензиями образуют более крупные агрегаты, которые в дальнейшем разрушаются уже донными организмами.    В зарослях  осуществляется переработка осевшей на растениях взвеси. Органические и минеральные компоненты используются в процессе метаболизма самих растений и их обрастателей.

Минерализация сложных органических соединений происходит в присутствии кислорода. При сильном загрязнении запасы растворенного кислорода быстро расходуются, отчего самоочищение воды замедляется. Прибрежно-водные растения оказывают благотворное влияние на кислородный режим водоема и тем самым ускоряют процесс самоочищения. Некоторые исследователи считают, что чем богаче водоем растениями, тем выше его минерализующая способность. Это происходит не только за счет выделенного растениями кислорода, но и за счет того, что макрофиты своим присутствием создают благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий, перифитона, обитателей толщи и дна водоема.

В процессе метаболизма высшие водные растения выделяют в среду физиологически активные вещества, что приводит к снижению численности патогенной микрофлоры. В зарослях макрофитов коли-титр значительно ниже, чем в открытых участках водоема. Кроме того, растения выделяют в среду различные метаболиты, органические кислоты, полифенолы, которые оказывают благоприятное воздействие на жизнедеятельность гетеротрофных бактерий и других организмов. Стебли растений представляют собой огромную поверхность для развития на них различных микроорганизмов, которые выполняют активную роль в очистке воды.

            Учитывая положительное влияние растений на минерализацию органического вещества в водоемах, исследователи предлагают культивировать их с целью повышения очистительной способности водоемов различного назначения, для борьбы с «цветением» вод и размыва берегов.

Каким же требованиям должны удовлетворять  прибрежно-водные растения? Они должны быть максимально устойчивы к сильно загрязненным стокам, иметь мощную корневую систему, способную поглощать и перерабатывать многие загрязнители, хорошо расти в загрязненных водах, образовывать высокорослые и густые заросли, продуцировать большую биомассу, способную аккумулировать многие минеральные и токсичные вещества, легко возобновляться при скашивании.

             В первую группу входят такие прибрежные растения, такие как тростник, рогоз, камыш, ирис, аир, манник, ежеголовник и др.

            Вторую группу представляют растения, плавающие на поверхности воды: ряски, кубышка,  кувшинки, сальвиния, водокрас и др. Они используются для доочистки стоков, прошедших полную биологическую очистку. Определенный интерес представляют ряски, хорошо растущие на разбавленных животноводческих стоках.

            Третья группа – это полностью погруженные растения. Их роль сводится к механическому задерживанию взвесей и поглощению из воды минеральных и органических веществ. Наиболее типичные виды – рдесты, уруть, роголистник, элодея. Они образуют сплошные заросли на глубине 2-3 метра.

            Многие специалисты считают, что именно прибрежно-водная растительность является основным фактором формирования и регулирования качества воды природных водоемов, поскольку растения в больших количествах поглощают не только биогенные, но и токсичные вещества минерального и органического происхождения. К тому же воздушно-водные растения  способны расти и развиваться при недостатке и даже при полном отсутствии кислорода в илах благодаря аэренхимному строению корней и других органов. Кроме того, водная растительность, прежде всего высокорослая, оказывает механическое и физико-химическое воздействие на водную среду, в которой она развивается.

            Аккумуляция растениями химических элементов. Растения способны извлекать из воды многие жизненно важные для них элементы и органические соединения и этим снижают степень эвтрофирования водоемов.  Так,  полупогруженные тростник, рогоз, камыш, ежеголовник, аир в больших количествах извлекают из воды азот, фосфор, кальций, калий, серу, железо, кремний. Растения накапливают в сотни и тысячи раз больше биогенных веществ по сравнению с их содержанием в окружающей среде.

К примеру, по данным  П.Г.Кроткевича (1970) один гектар густых зарослей тростника аккумулирует в своей биомассе до 6 тонн различных минеральных веществ, в том числе: калия – 860 кг, азота – 170 кг, фосфора – 120 кг, натрия – 450 кг, серы – 280 кг, кремния – 3700 кг. Кремний придает прочность стеблю и другим тканям тростника.

Скорость потребления биогенных веществ достаточно высока. К примеру, болотник и камыш уже через 6 часов потребляли до 60% внесенного в среду фосфора. Тростник, рогоз с такой же скоростью потребляют нитратный и аммонийный азот, который в значительных количествах присутствует в хозяйственно-бытовых и сельскохозяйственных сточных водах. В дневное время фосфор поглощается в два раза интенсивнее, чем ночью, что указывает на участие этого элемента в фотосинтетических процессах.

Биогенные вещества, прежде всего, накапливаются в листьях и генеративных органах. Наиболее высока их концентрация в побегах ранней весной (за счет перемещения из корневой системы). По мере увеличения биомассы концентрация постепенно снижается, а к концу вегетации (начиная с августа) происходит отток элементов минерального питания в подземные запасающие органы растений. Так, к концу вегетационного сезона содержание азота в корневой системе тростника возрастало в 3-4 раза. Однако значительная часть элементов все же остается в отмерших остатках растений и при их разложении снова возвращается в водоем, вторично загрязняя его.  Поэтому для поддержания водоема в «здоровом» состоянии требуется систематическое выкашивание водных растений и их удаление.

            Помимо хозяйственно-бытовых сточных вод в водоемы поступает значительное количество промышленных стоков, содержащих «букет» самых разнообразных соединений, многие из которых являются токсичными для животных и растений.

            Ряд микроэлементов, присутствующих в водоемах в малых концентрациях, играют положительную роль в жизни растений (усиливают их рост, дыхание, обмен, питание, размножение). При увеличении концентрации этих веществ они становятся токсичными практически для всех гидробионтов.

            Прибрежно-водные растения извлекают из воды и грунта не только необходимые им биогенные элементы, но и соединения тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества и многое другое. Поглощение растениями минеральных веществ характеризуется видовой специфичностью и может достигать довольно существенных величин.

Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, обусловила их использование в системе мониторинга за состоянием окружающей среды (Гигевич, Власов, 2000). Высокая поглотительная способность водных растений делает их идеальными тестовыми объектами для определения антропогенных химических нагрузок на водоем.

            Для индикации антропогенной нагрузки специалисты предлагают использовать плавающие на поверхности воды и погруженные растения: ряску, водокрас, кубышку, рдесты, элодею, роголистник и др.

Обобщенно можно утверждать, что растения одного вида накапливают в тканях тем больше химических элементов, чем больше их содержится в воде в доступном для растений виде. Кроме того, высшим водным растениям свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов. При этом наибольшая аккумулирующая способность техногенных элементов отмечена у погруженных растений. На первом месте по интенсивности накопления стоят харовые водоросли, затем идут элодея, роголистник, рдесты, уруть. Погруженные растения накапливают тяжелые металлы в 10 раз интенсивнее, чем прибрежно-водные. Интенсивность поглощения токсичных соединений зависит от времени года и развития растений; наибольшее содержание элементов наблюдается в период их интенсивного роста, а наименьшее – осенью.

Прибрежно-водные растения способны концентрировать радиоактивные вещества и, таким образом, участвуют в дезактивации вод. Многие виды растений обладают высокой избирательностью к накоплению  радиоактивных элементов.

Наибольшее количество радиоактивных изотопов аккумулируют погруженные растения, далее идут виды с плавающими листьями, а меньше всего – воздушно-водные. У некоторых видов, к примеру,  у элодеи коэффициент накопления 57Co в течение суток составляет 1500 (по другим данным – до 4000), а 90Sr  – 1400. Высокой способностью накапливать радиоизотопы обладают харовые водоросли, которые извлекают из воды до 60% суммарной радиоактивности. Они могут служить индикаторами на радиоактивное загрязнение водоемов. Технология очистки водной среды с применением растений намного экономичнее других способов. Причем освобождение от радионуклидов может сочетаться с очисткой воды и от других загрязняющих веществ.

Так что, прибрежно-водная растительность может аккумулировать из природных и сточных вод многие химические элементы и, тем самым, способствует снижению их концентрации в среде. Поэтому признается рациональным их культивирование в системе очистки загрязненных вод. Удаление и дальнейшая переработка растений позволит утилизировать многие токсичные и радиоактивные  соединения.

Минерализация и окислительная функция.  Деструкция и минерализация сложных органических соединений до простых и безвредных происходит двумя путями: в результате физико-химических процессов и с участием растений.

            В первом случае окисление происходит в присутствии растворенного в воде кислорода. Поэтому, чем выше его содержание, тем быстрее и лучше протекает процесс минерализации и самоочищения водоема. Однако при сильном загрязнении водоема запасы растворенного кислорода быстро расходуются, а пополнение его за счет газообмена с атмосферой протекает медленно, отчего самоочищение замедляется.

            Во втором случае минерализация протекает с участием растений: либо в процессе метаболизма, либо в водной среде, но опять-таки с участием кислорода, выделяемого растениями. Этот процесс в жизни водоема имеет ведущее значение, ибо интенсивность биохимических реакций в живом организме выше интенсивности чисто химических реакций, свободно протекающих в водоемах.

            Минерализующая способность водоема прямо пропорциональна интенсивности развития в нем прибрежно-водной растительности. Это происходит не столько за счет выделенного растениями кислорода, но и за счет метаболитов, стимулирующих деятельность перифитона, развивающегося на их поверхности.

                Детоксикация органических загрязнений. В городских и промышленных стоках, даже прошедших полную биохимическую очистку, в водоемы поступает значительное количество опасных загрязнений (фенолы, пестициды, ядохимикаты и др.).             Установлено, что тростник, рогоз, камыш, ирис и другие макрофиты способны поглощать из воды фенолы, пестициды, нефть, нефтепродукты, если, конечно, они не превышают летальных для растений концентраций.

            Некоторые токсичные соединения не только поглощаются растениями, но и включаются в метаболизм, что имеет большое значение для их детоксикации. Так, некоторая часть потребленного растениями фенола выделяется в атмосферу через устьица. Деструкция фенолов в присутствии харовых водорослей протекает более интенсивно, чем в зарослях других растений, что объясняется наличием у них фермента фенолоксидазы.

            Вместе с водными растениями в разрушении высокотоксичных органических соединений (в частности, фенолов, нефти, пестицидов и др.) принимают участие микроорганизмы (бактерии, водоросли, грибы), обитающие на их поверхности. При этом происходит интенсивное потребление кислорода аэробными микроорганизмами. Так что деструкция токсичных соединений происходит как за счет самих макрофитов, так и за счет фотосинтетической аэрации, обеспечивающей жизнедеятельность всех аэробных организмов.

В водоемы в значительных количествах поступают различные ядохимикаты, в частности хлорорганические соединения. Эти вещества также накапливаются водными растениями. Изучение влияния некоторых пестицидов на жизнедеятельность разных видов тростника, рогоза, рдеста, ряски, урути, роголистника и др. показало, что растения способны поглощать и накапливать эти ядовитые соединения. Так  уруть в течение 3-7 дней удаляла из водоема до 50% дифенамида, а водный гиацинт – до 80%; эти растения разлагают этот гербицид на менее устойчивые соединения, которые в дальнейшем потребляются микроорганизмами.

Ценность водных растений заключается в том, что они могут не только концентрировать ядохимикаты, но и способны разлагать высокотоксичные соединения на менее токсичные, и, в конечном счете, обезвреживать их.

            Деструкция нефтяных загрязнений. В результате аварий и утечек ежегодно теряются значительные количества нефти. Существенная часть ее в конечном счете оказывается в водоемах.

Заросшие прибрежно-водной растительностью  водоемы достаточно легко справляются с поступающими в них нефтяными загрязнениями. Причем, чем выше степень зарастания, тем интенсивнее протекают процессы самоочищения водоемов. В зарослях макрофитов нефть подвергается с помощью микроорганизмов биологическому окислению и вовлекается в  обменные процессы, причем не только бактерий, но и других гидробионтов, в том числе и растений. Наиболее устойчивыми к нефтяному загрязнению являются тростник, рогоз, камыш, сусак, осоки, роголистник, уруть, элодея. В присутствии нефти (конечно, в небольших концентрациях) рост тростника, рогоза и камыша протекает более интенсивно (в среднем на 10-15 см), чем в опытах без нефти (Морозов, 2001).

Различные виды нефти и нефтепродукты при концентрации 1 г/л в присутствии растений исчезают через 5-10 дней, а без растений – на 28-32-й день опыта. Так что высшие водные растения ускоряют бактериальное разложение нефти и нефтепродуктов в 3-5 раз.

Разрушение нефти и нефтепродуктов осуществляется в основном за счет жизнедеятельности нефтеокисляющих и сапрофитных бактерий. Процесс разрушения нефти происходит сразу же после ее поступления в водоем;  количество микроорганизмов резко увеличивается, достигая своего максимума на 3-4 день. Микробиологические процессы приводят к  разрушению нефтяной пленки и нефти в толще воды, уменьшению концентрации в воде кислорода и, наоборот, – к увеличению содержания углекислоты. По мере уменьшения количества нефти численность бактерий постепенно снижается.

Роль прибрежно-водных растений в самоочищении воды от нефти достаточно велика: прежде всего, фотосинтетическая аэрация поддерживает в среде достаточное количество кислорода, выделения экзометаболитов стимулируют развитие нефтеокисляющих бактерий, развитая поверхность растений увеличивает зону контакта между нефтью и бактериями. Так, содержание кислорода в зоне зарослей в 2-3 раза выше, чем открытой части водоема; наибольшее насыщение воды кислородом отмечается в дневные часы во время интенсивных фотосинтетических процессов.

                Прижизненные выделения  высших водных растений (аминокислоты, углеводы, органические кислоты, витамины и др.) являются стимулятором и питательной средой для нефтеокисляющих и гетеротрофных микроорганизмов. Доказательством служат опыты с сухими прутьями ивы, кустарников, высохших стеблей рогоза и др., которые представляли собой  поверхность соприкосновения нефтяного загрязнения с окисляющей микрофлорой. В этих опытах возрастание численности бактерий происходило очень медленно, а пленка нефти сохранялась неизменной даже на 14-17 сутки опыта (Морозов, 2003).

            Интенсивность разложения нефти во многом зависит от условий среды – рН, температуры, наличия биогенных и минеральных солей, биостимуляторов и др. Наилучшие результаты разрушения нефти и нефтепродуктов получены в интервале рН 6,0-7,5 при температуре воды 20-28оС.  

            В процессе разрушения нефти часть окисленных соединений включается в метаболизм бактерий и растений, а оставшаяся – перерабатывается с образованием нетоксичных и малотоксичных соединений. Так что, разложение нефти – результат совместной деятельности гетеротрофных микроорганизмов и прибрежно-водных растений. Первые выступают, как основные деструкторы и минерализаторы загрязняющих веществ, а вторые – как поглотители и потребители окисленных соединений. Биоинженерные сооружения, основанные на применении прибрежно-водных растений,  позволяет сократить время очистки загрязненных стоков в 2-5 раз, а нефтяных загрязнений – уменьшить на 95-100%.

 

А.П.Садчиков, профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, Московское общество испытателей природы  http://www.miop.msu.ru   

 

 

Рейтинг всех персональных страниц

Избранные публикации

Как стать нашим автором?
Прислать нам свою биографию или статью

Присылайте нам любой материал и, если он не содержит сведений запрещенных к публикации
в СМИ законом и соответствует политике нашего портала, он будет опубликован