20.3. Самозабруднення та самоочищення водойм

Під самозабрудненням розуміють надмірний рівень продукції органічної речовини, яка викликає погіршання якості води у водному об'єкті. Воно найчастіше пов'язане з масовим розвитком фітопланктону до рівня «цвітіння» води. Самозабруднення спричиняється самою біомасою водоростей та продуктами її деструкції. Розклад біомаси у таких випадках призводить до виходу у воду великої кількості органічних, мінеральних, в тому числі і токсичних речовин, які істотно погіршують якість води за значною кількістю показників. Серед токсичних речовин виявляють поліпептиди, феноли, індол, скатол, сірководень та інші. На відміну від алохтонного надходження забруднень, таке явище отримало назву біологічного (вторинного) забруднення, або самозабруднення. Воно може відбуватись і внаслідок десорбції органічних і мінеральних речовин, накопичених у донних відкладеннях. Такі процеси більш інтенсивно протікають при дефіциті кисню і підкисленні водного середовища в анаеробних умовах.

У нормально функціонуючих водних екосистемах перебіг процесів продукування, засвоєння та деструкції автохтонних речовин за участю гідробіонтів збалансований. Завдяки цьому підтримується певний рівень якості води.

Процес розкладу і виведення забруднюючих речовин з кругообігу водного середовища внаслідок взаємодії механічних, фізичних, хімічних, фізико-хімічних і біологічних факторів отримав назву самоочищення вод.

Механічне самоочищення - це процеси перетирання, механічного подрібнення окремих частинок, фільтрації забруднених вод через піщані ґрунти. Фізичні процеси самоочищення включають осадження (седиментацію) забруднюючих речовин під дією сил тяжіння.

Хімічне і фізико-хімічне самоочищення пов'язане з утворенням комплексних сполук, реакціями між окремими речовинами, сорбцією завислих частинок мулом, глиною, піском та іншими донними відкладеннями, окисненням нестійких речовин розчиненим киснем (небіотичного походження). Біологічне самоочищення вод включає такі складові: біофільтрацію, мінералізацію органічних речовин, фотосинтетичну аерацію, реаерацію, біоакумуляцію та біодетоксикацію.

Біофільтрацію здійснюють організми-фільтратори, головним чином, двостулкові молюски та планктонні ракоподібні. Пропускаючи через своє тіло велику кількість води і очища­ючи її від завислих частинок, вони використовують органічні та деякі мінеральні речовини як корм, а решту виводять у воду у вигляді слизових грудок, що осідають на дно. Завдяки цьому відбувається освітлення води та зменшується концентрація забруднюючих речовин у ній.

Гідробіонти здатні накопичувати в організмі забруднюючі речовини, які знаходяться у воді. При цьому коефіцієнт їх накопичення КН забрудників може зростати у порівнянні з водою у тисячі—десятки тисяч і більше разів. Таке явище отримало назву біоакумуляція, або біоконцентрування (bios - життя, accumulation — накопичення). Накопичення забруднюючих речовин у тілі гідробіонтів зростає при проходженні по трофічних ланцюгах (рис. 125).

Завдяки біоакумуляції у водному середовищі поступово зменшується концентрація як органічних, так і неорганічних забруднюючих речовин. Деякі з них можуть повертатись у воду після відмирання гідробіонтів, але значна їх частина підлягає руйнуванню під дією ферментативних систем або переходить у неактивну форму. Руйнування та біоконцентрування токсичних речовин у водному середовищі під дією водяних організмів характеризується як біологічна детоксикація.

Мінералізація органічних речовин пов'язана із життєдіяльністю гідробіонтів, в першу чергу, бактерій різних фізіологічних груп. У зв'язку з цим якість води можна характеризувати за бактеріологічними показниками, зокрема, за загальною чисельністю бактеріопланктону, кількістю бактерій групи кишкової палички (колі-титр та колі-індекс) та сапрофітів. При органічних забрудненнях чисельність бактерій у воді зростає. Зокрема, наявність кишкової палички у воді свідчить не тільки про антропогенне фекальне забруднення, а й про підвищений вміст органічних речовин, що виникає внаслідок відмирання гідробіонтів, переважно фітопланктону і вищих водяних рослин. Фотосинтетична аерація — це насичення води киснем, що утворюється рослинами в процесі фотосинтезу (на відміну від розчиненого кисню, що надходить у воду шляхом евазії з атмосфери). Утворений кисень окиснює розчинні органічні речовини і підтримує кисневий режим забруднених вод (фотосинтетична реаерація). Цей процес знаходить широке використання в системах очищення стічних вод у так званих біологічних ставках, де масово розвиваються хлорококові водорості — фотосинтетики.

Реаерація пов'язана з відновленням газового режиму забруднених вод при надходженні в них кисню біогенного походження.

Розвиток бактерій у водоймах, забруднюваних органічними речовинами, залежить від вмісту органічних сполук автохтонного та алохтонного походження. Він відображає надходження забруднень з прилеглих територій та джерел водопостачання, кількісний і якісний склад завислих речовин, ступінь розвитку та фізіологічний стан фітопланктону, фітобентосу, вищих водяних рослин. На їх вміст у воді впливають мулові відкладення та їх змучування під час вітрового перемішування води. При значному надходженні легкодоступних органічних речовин різко підвищується чисельність сапрофітних бактерій. Зростає чисельність бактеріопланктону і у водоймах, каламутність яких пов'язана з завислими частинками. У теплі літні дні, коли масового розвитку набувають синьозелені водорості, спостерігається і спалах чисельності бактеріопланктону. В той же час при весняному масовому розвитку деяких інших водоростей чисельність бактерій може навіть зменшуватись внаслідок пригнічення екзаметаболітами водоростей.

Послідовний хід процесів самоочищення у водотоках супроводжується відповідно зміною зон сапробності — від полісапробної до ά- -мезосапробної, а далі до β-мезосапробної і олігосапробної.

Зони сапробності найбільш чітко виділяються в малих річках з уповільненою течією (при наявності одного джерела забруднення). За течією формуються послідовно полі-, альфа-і бетамезосапробна зони. За відсутності додаткових джерел забруднення остання поступово переходить в олігосапробну.

Якщо на річці є ще інші джерела забруднення, то відновлюється знову зона високого забруднення (полі- чи ά- мезо-сапробна). Знесені течією планктонти -- показники високої якості води — можуть змішуватись у такому разі з індикаторами нижчих рівнів забруднення. Тому більш показовими як індикатори забруднення в таких випадках можуть бути прикріплені форми (перифітон), обростання підводних споруд, нитчасті водорості та макрофіти, а також зообентос, оскільки ці біоценози відображають не мінливий рівень забруднення, як фіто-, зоо- і бактеріопланктон, а середні умови забруднення за тривалий час.

Тому сучасна методика санітарно-біологічного дослідження водних об'єктів передбачає обов'язковий аналіз складу перифітону, інших обростань та бентосу, а не лише планктону.

В озерах і водосховищах потік забруднень від стічних труб та інших точкових джерел поширюється концентричне, по радіусах, тому зони сапробності тут формуються за кільцевою схемою, а при штормовому та турбулентному перемішуванні вод межі між зонами сапробності стираються. Забруднення можуть розноситися локальними течіями, тому зони високої і низької сапробності чергуються мозаїчно і безсистемне. Отже для правильного встановлення зон сапробності необхідно розміщувати місця відбору, проб відповідно до гідрологічних особливостей водного об'єкта.

У зарегульованих великих річках та гігантських водосховищах типу Каховського чи Кременчуцького процеси органічного забруднення-самоочищення вивчені ще недостатньо.