КАЧЕСТВО ВОДЫ: НОВЫЕ КРИТЕРИИ
Доктор биологических наук Сергей ОСТРОУМОВ, биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
В функционировании водных экосистем участвуют многие физические, химические и биотические процессы. До определенного порога естественные природные механизмы самоочищения воды успешно освобождают ее от разных загрязнений. Но антропогенное давление на окружающую среду в последние десятилетия настолько усилилось, что механизмы эти дают сбой и даже ломаются. Наши многолетние исследования показывают: ныне существующие приоритеты по сохранению качества воды и обеспечения экологической безопасности источников водоснабжения уже недостаточны и требуют дополнения и пересмотра.
Планктонная коловратка (Brach¡onus calyciflorus).
Пример вида морского двустворчатого моллюска -мидия Грея (СгепотуШив дгауапив).
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Многие физические и химические процессы самоочищения воды регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них*. Например, масштабы сорбции загрязняющих веществ на оседающих частицах взвесей зависят от концентрации клеток фитопланктона. Фотохимические процессы — от прозрачности воды, а сама прозрачность — от фильтрационной активности гидробионтов. Свобод-норадикальные процессы разрушения поллютантов (веществ антропогенного происхождения, загрязняющих среду обитания живых существ) зависят от связывания ионов металлов с растворенными в воде лигандами, представляющими собой органические
*См.: С. Остроумов. Биологические фильтраторы — часть биосферы. — Наука в России, 2009, № 1 (прим. ред.).
молекулы биологического происхождения. Таким образом, биотические (биологические) факторы находятся в центре всей системы самоочищения воды. Очень важные из них — окисление органического вещества и фильтрация воды гидробионтами — детально охарактеризованы исследователями.
Окисление органического вещества осуществляют многие гидробионты. Особая роль принадлежит бактериям. Представители практически всех их основных групп вовлечены в эти процессы. Считается, что на долю бактерий в общей гетеротрофной деструкции (т.е. в биологическом окислении органических веществ) в океане приходится около 60—70%. В самоочищении водных экосистем важна роль и эукари-отных микроорганизмов (т.е. одноклеточных с более высоким, чем у бактерий, уровнем организации кле-
ток — дипломонад, амебофлагеллят, инфузорий, раз-ножгутиковых и др. Эти одноклеточные планктонные организмы оказывают существенное положительное влияние на стабильность экосистемы также и тем, что выполняют функцию консументов* по отношению к бактериям. При этом они омолаживают сообщество бактерий и стимулируют разрушение бактериями органики.
Изучение фильтрационной активности некоторых групп гидробионтов (таких водных организмов, как асцидии, усоногие раки, мшанки, иглокожие, двустворчатые моллюски, гастроподы, полихеты, губки) показало, что скорость фильтрации ими воды обычно составляла от 1 до 8,8 л в час в расчете на 1 г обеззолен-
*Консументы — организмы, потребляющие готовые органические вещества (прим. ред.).
ной сухой массы тела этих беспозвоночных. В результате более детального анализа выяснилось: суммарная фильтрация воды популяциями макробеспозвоночных животных (таких относительно крупных организмов, как моллюски, асцидии, полихеты) оценивается величинами 1—10 м3 над 1 м2 дна водной экосистемы за 1 день. Приведем несколько конкретных примеров. В Учинском водохранилище (часть системы водоснабжения Москвы) моллюски фильтруют не менее двух объемов всей воды за год. В Волгоградском водохранилище — 840 млрд т воды в год, т.е. весь объем фильтруется 24 раза. А в озере Байкал весь объем прибрежных вод очищается губками-фильтраторами за 1-2 дня. Цифры показательные, по ним можно представить грандиозные масштабы работы природной «прачечной».
ВОПРОСЫ ТЕОРИИ САМООЧИЩЕНИЯ
Наш анализ экосистем привел к выделению трех основных структурно-функциональных блоков, в совокупности охватывающих значительную часть общего гидробиологического механизма самоочищения водных экосистем. Первый блок фильтрационной активности включает в себя несколько групп организмов, а именно: беспозвоночных гидробионтов-фильтра-торов; группу прибрежных растений (макрофитов), задерживающих часть биогенов и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории; группу донных организмов; бентос (организмы, обитающие на дне водоемов), поглощающий часть биогенов (азот, фосфор), и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода / донные осадки; группу микроорганизмов, которые прикрепляются к взвешенным в воде мелким частичкам и извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены. Второй блок — механизмы переноса, перекачивания химических веществ из одного отсека, или отдела, экосистемы (компартмента) в другой (из одной среды в другую), иными словами, «насосы» в составе механизмов самоочищения. В этом блоке одни процессы способствуют перемещению части загрязняющих веществ (поллютантов) из водной толщи в донные осадки, другие — перемещению части загрязнителей из водной толщи в атмосферу путем испарения. Наконец, третий блок, отвечающий за расщепление мо-
Веслоногие ракообразные (Сорерова). Рисунок слева из книги «Жизнь животных», т. 2 (М.: Просвещение, 1968).
лекул поллютантов, — это своего рода «мельницы», перемалывающие загрязняющие вещества.
Каковы же источники энергообеспечения биотических механизмов самоочищения водных экосистем? В числе важнейших источников — фотосинтез, окисление автохтонной (т.е. произведенной внутри экосистемы) и аллохтонной (т.е. импортированной в экосистему извне) органики, а также другие окислительно-восстановительные реакции. Интересно отметить, что часть энергообеспечения идет за счет окисления тех самых компонентов (растворенное и взвешенное органическое вещество), от которых система избавляется. Иными словами, природа использует своего рода энергосберегающие «технологии».
По традиции самоочищение связывается преимущественно с окислением органических веществ аэробными (потребляющими кислород) организмами. Но не менее важны анаэробные (без участия кислорода) процессы, энергетика которых обеспечивается передачей электронов на молекулы-акцепторы, отличные от кислорода. Анаэробная энергетика движет метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов разных сообществ: метаногенного сообщества (органическое вещество, разрушаясь, «рождает» метан), суль-фидогенного сообщества (разрушение органики приводит к появлению сероводорода, водорода и метана), аноксигенного фототрофного (фотосинтезирующего) сообщества (образуются анион SO4-, перекись водо-
Планктонные организмы, отряд долиолиды (ЬоШШае), класс ПаПасеа, тип оболочники (Тишса1а).
рода, водород и метан). Интересно, что продукты, производимые организмами этих сообществ, дальше используются как субстраты окисления уже в других сообществах — в том числе организмами группировки, получившей название «бактериальный окислительный фильтр». Последний функционирует уже в аэробных условиях и окисляет водород (водородные бактерии), метан (метанотрофы), сероводород (серобактерии) и др. Свидетельства высокой активности микробиальных сообществ донных осадков, продуцирующих и использующих газы, получены при изучении геохимии осадочных толщ Мирового океана. Таким образом, эти блоки системы самоочищения действуют по принципу безотходной технологии.
Какие же таксоны (систематические группы организмов) участвуют в самоочищении водных экосистем? В числе основных — микроорганизмы, таксоны фитопланктона, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы и другие группы организмов. Все эти группы важны и каждая из них вовлечена в один, два процесса и более.
Такой важный для самоочищения воды процесс, как фильтрация, осуществляется представителями многих таксонов. Например, в составе морского планктона функцию тонких фильтраторов-нанофагов выполняют такие беспозвоночные, как аппендикулярии (Appendicularia), долиолиды (Doliolidae), мелкие каля-ноиды (Calanoida), меропланктон (личинки) и другие животные; функцию грубых фильтраторов-эврифа-гов, т.е. поедающих все подряд, без разбора, — ойтоны (ОЫ^па), онцеи (Oncaea) и др.
Количественные параметры, характеризующие роль конкретных процессов, изменяются от экосистемы к экосистеме. Вот, например, как выглядит вклад различных групп организмов в удаление углерода из экосистемы в процессе дыхания (в процентах от суммарного дыхания) сообщества центральной части Охотского моря в период летнего минимума фитопланк-
тона: макрофиты (крупные водные растения) — 0,3%, фитопланктон — 8,9, бактерии — 55,6, микрозоопланктон — 7,7, мирный зоопланктон — 12,2, хищный зоопланктон — 4,45, зообентос — 8,3, рыбы — 2,5, млекопитающие и птицы — 0,05%. В других регионах эти показатели могут быть иными. Так, на простейших обычно приходится от 5 до 30% суммарной продукции и суммарного дыхания гетеротрофного (т.е. нефото-синтезирующего) планктона пресных и морских вод, включая бактерии.
Итак, для полноценного функционирования механизма самоочищения практически все группы организмов (относящиеся и к прокариотам, и к эукарио-там) полезны, что подтверждает обобщение академика Владимира Вернадского: практически никакой вид организмов не может длительное время существовать без сообщества.
МЕХАНИЗМЫ «РЕПАРАЦИИ»
Каким же образом обеспечивается надежность системы самоочищения воды? Как известно, в сложной технике для бесперебойной работы конструкторы дублируют многие ее компоненты. Аналогичный принцип выявляется при анализе функционирования водных экосистем. Например, фильтрационная активность гидробионтов (водных организмов) продублирована таким образом, что ее осуществляют две большие группы организмов — планктон (обитает в толще воды) и бентос (обитает на грунте и в грунте дна водоемов). Обе группы фильтруют воду со значительной скоростью. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в пелагиа-ли (зоне моря или океана, не находящейся в непосредственной близости от дна) планктонных организмов благодаря тому, что личинки многих бентосны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.