По данным В.М. Константинова и Ю.Б. Челидзе (2007) в настоящее время потребление воды в мире превышает суммарное использование всех других природных ресурсов. В связи с этим происходит истощение водных ресурсов и их загрязнение по всему миру.
Основной причиной загрязнения водоемов является слишком большое водопотребление. При современном уровне водопотребления природные механизмы самоочищения уже не могут полностью обеспечить население и промышленность водой требуемого качества, что негативно отражается на здоровье человека. Для исправления данной ситуации человеку необходимо перейти на искусственную схему водообмена техносферы с окружающей средой, которая предполагает отказ от возможности пить воду из природных источников, поставленных из загрязненных водоемов (Д.И. Грицкевич, 2005).
Увеличение водопотребления на планете ведет к водяному голоду, что обуславливает необходимость разработки мероприятий по экономному использованию водных ресурсов.
Кроме высокого уровня расхода, нехватка воды вызывает ее растущее загрязнение вследствие сброса в водоемы промышленных отходов, в частности, химического производства и коммуникационных сточных вод.
Как отмечают Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова (2010), бытовые стоки составляют половину объемов сброса всех сточных вод в Башкирии. С каждым годом в бытовых стоках, помимо фекалий и других органических веществ, которых сравнительно просто очистить биологическим путем на очистных сооружениях, увеличивается содержание опасных загрязняющих веществ. Среди этих загрязнителей – нефтепродукты, взвешенные вещества, хлориды, сульфаты, ионы нитритов, ионы нитратов, аммонийный азот, СПАВ (синтетические поверхностно-активные вещества), фенолы; металлы – ртуть, цинк, железо, медь, свинец, кадмий и др.
Хлорид-ионы. Хлориды являются составной частью большинства природных вод. Содержание хлоридов естественного происхождения имеет большой диапазон колебаний. Однако в воде рек их концентрация невелика,
и она не превышает 10 мг/л (П.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, 1982).
Сульфат-ионы. Естественное содержание сульфатов в поверхностных водах обусловлено выветриванием и процессами, которые происходят в водоносных слоях.
Повышение концентрации сульфатов может быть опасным, так как ухудшаются гигиенические условия в водоеме. Вследствие этого, у гидробионтов снижается резистентность к неблагоприятными условиям среды, и они становятся уязвимыми к различным возбудителям заболеваний (П.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, 1982).
Азот. Азот в воде находится в виде органических и небелковых неорганических соединений, в виде ионов аммония, нитратов и нитритов. Повышенное количество соединений азота в природной воде в органических соединениях или в аммонийной форме свидетельствует о загрязнении водоисточника сточными водами. Наличие окисленных форм азота, особенно нитратов в водоемах, позволяет судить либо о ликвидации внесенного загрязнения, то есть о закончившемся окислении аммонийных соединений, либо о неорганическом их происхождении.
В речных водах содержание азота аммонийных солей, в зависимости от загрязнения сточными водами, колебается от 0 до 1 мг/л (П.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова, 1982).
Фосфаты. Нитраты и фосфаты поступают в водоемы также в виде минеральных удобрений, которые в больших концентрациях способны резко изменить вид и состав водоёмов, а также в виде различных ядохимикатов - пестицидов, используемых в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми - вредителями.
А.С. Степановских (2001) отмечает, что поступление биогенов – нитратов и фосфатов, приводит к такому явлению как эвтрофизация. Эвтрофизация вызывает вспышку численности некоторых гидробионтов. Например, в воде увеличивается численность сине-зеленых водорослей, которые заметно ухудшают ее качество. После отмирания водорослей, в результате их гниения выделяются газы: аммиак и сероводород. В таких
водоемах отмечается недостаток кислорода, что естественно приводит к угнетению рыб, моллюсков, ракообразных и водных растений (А.С. Степановских, 2001; Г.Н. Голубев, 1999).
Фенолы. Фенолы – это ароматические соединения, в которых гидроксильная группа замещает водородный атом бензольного кольца (Г.Д. Харлампович, Ю.В. Чуркин, 1974).Фенолы производятся промышленностью в большом объеме, поскольку является промежуточным продуктом для получения многих важных для хозяйства химических соединений: различных видов полимеров, хлорированных фенолов и т.д. Загрязнение фенолами исходит от производства деревообрабатывающих, нефтеперегонных заводов, в виде стока с ферм и канализации (Б.А. Флеров, 1989).
В настоящее время наблюдается широкое распространение фенолов в окружающей среде. Это обусловлено особыми физико-химическими свойствами фенола: он обладает отличной растворимостью, как в водной среде, так и в органических матрицах, низким давлением паров и высокой способностью вступать в реакции. Весь комплекс этих свойств приводит к загрязнению водоемов не только фенолом, но и огромным количеством его производных.
Но в настоящее время с промышленными стоками в водные экосистемы поступает и антропогенный фенол, концентрации которого имеют тенденцию к накоплению (А.В. Гордзялковский, О.Н. Макурина, 2007).
Нефтепродукты. Нефть – это жидкое природное ископаемое, состоящее из большого числа высокомолекулярных углеводородов (А.В. Шамраев, Т.С. Шорина, 2009). В водоемы нефть попадает различными путями. Например, нефтепродукты могут попасть в водоем при мойке автотранспорта на берегу, или с плавающих механизированных средств и водного транспорта.
Известно, что нефть и вода не смешиваются. Нефть растекается по поверхности воды, образуя нефтяную пленку (А.В. Тотая, 2011).
Отрицательное влияние нефти на живые организмы заключается в следующем:
- во-первых, нефть приводит к отравлению гидробионтов, вызывая нарушение их физиологической активности;
- во-вторых, изменяются биологические особенности среды обитания, в частности, создается дефицит кислорода, и затем появляются болезненные изменения в организме гидробионта. Подрывается также кормовая база водоемов из-за поглощения кислорода донными отложениями нефти, увеличивается уровень ХПК (химическое потребление кислорода) (Н.Г. Курамшина, Э.М. Курамшина и др., 2012).
Синтетические поверхностно-активные вещества. Синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) ̶ это органические соединения, молекулы которых имеют в строении полярную гидрофильную (функциональные группы -OH, -COOH, -O и др.) и углеводородную гидрофобную части.
В водные экосистемы ПАВ поступают в больших количествах с хозяйственно-бытовыми и промышленными стоками, а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (ПАВ входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов в качестве эмульгаторов).
Спектр биологических эффектов, которые вызываются СПАВами, широкий и охватывает все основные трофические уровни в природных экосистемах. Многие СПАВ крайне медленно разрушаются в результате микробиального окисления и биодеградации. Не только сами, СПАВ, но и продукты их биодеградации, обладают высокими коэффициентами биоаккумуляции и оказывают эстрогенный эффект (С.А. Остроумов, 2004).
В хронических опытах Горева В.А. (1984) отмечает, что СПАВ оказывает на рыб локальное действие, вызывая кровоизлияния в их кожных покровах и в склере глаз. С увеличением концентрации токсиканта, его воздействие на организм прогрессирует, что негативно отражается на живой массе рыбы.
Тяжелые металлы. Тяжелые металлы – это группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/cм3. Термин заимствован из технической литературы, где металлы делятся на тяжелые и легкие. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, и относить к тяжелым металлам элементы с относительной атомной массой более 40 (Ю.В. Алексеев, 2008). По другой классификации, к тяжелым металлам относятся цветные металлы плотность которых больше, чем у железа (В.И. Воробьев, 1993; А.В. Пименов, 2008).
Кроме антропогенных источников загрязнения среды тяжелыми металлами существуют и природные, например, извержения вулканов. К увеличению концентрации металлов-токсикантов в природных водах могут приводить и кислотные дожди, которые приводят к растворению минералов и пород, которые омываются этими водами. Все эти источники загрязнения вызывают в биосфере увеличение содержания металлов-токсикантов по сравнению с естественным фоновым уровнем (Г.К. Будников,1998). Опасность изменения фонового содержания металлов объясняется еще тем, что индивидуальная потребность гидробионтов в данных элементах очень мала, а их избыточное количество приводит к различным токсическим эффектам.
Тяжелые металлы являются составной частью организма, поскольку многие их соединения входят в состав ферментов, витаминов, гормонов. Без их участия невозможны дыхание, образование крови и биологические обмены. Например, при избыточном количестве тяжелых металлов в окружающей среде отмечается нарушение в жизнедеятельности, уменьшение темпов роста, изменению численности, биомассы и видового разнообразия (И.А. Глазунова, 2007; C.Л. Давыдова, В. И. Тагасов, 2002; Н.Г. Курамшина, С.В. Николаева и др., 2012).
Исследования Н.Г. Курамшиной, С.В. Николаевой и др. (2012) подтверждают концентрирование меди и цинка в печени изученных видов рыб (судак, щука, плотва, карась). Тогда как Г.И. Сафина, Л.М. Камаева и др., (2012) отмечают, что в организме рыб до 90% ртути скапливаются в почках, медь концентрируется в печени, а цинк в поджелудочной железе.
Патологическое действие тяжелых металлов проявляется в различных видах отеков, кровоизлияний в функционально важных органах, в частности: в почках наблюдаются обширные очаги некроза, в жабрах – гиперемия (М.А. Ващенко, 2006; Н.С. Строганов, 1962; Г.И. Сафина, Л.М. Камаева и др., 2012).
Сведения о микроэлементном составе органов и тканей рыб можно использовать для оценки качества водоема. Рыбы занимают в биоценозах водных экосистем верхний трофический уровень и обладают ярко выраженной способностью накапливать металлы. Повышенное содержание в организме рыб металлов свидетельствует о значительной их концентрации в водной среде, аккумуляции последних в пищевых цепях (Н. А. Руднева, 2001).
Ртуть (Hg). Ртуть обнаруживается в природе в рассеянном состоянии. Это единственный жидкий металл при 200 С0 и атмосферном давлении. Ртуть обладает свойствами высокой теплопроводности и электропроводности. Сочетание уникальных физико-химических свойств делает его пригодным для использования в измерительных приборах, также ртуть использовалась в производстве инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и других препаратов. По классу опасности он относится к I классу. Количество антропогенной ртути, которая поступает в поверхностные воды, в 10 раз превышает ее содержание в природных водах (C.Л. Давыдова, В.И. Тагасов, 2002).
Ртуть в поверхностных водах суши мигрирует в двух основных фазовых состояниях – в растворенной форме и в составе взвеси. В свою очередь, она может находиться в виде двухвалентного иона, гидроксида ртути, комплексных соединений и метилртути.
Важнейшими аккумуляторами ртути в водоемах являются взвеси и донные отложения водных объектов.
В водоемах ртуть, в основном, находится в виде метилртути.
Процессы метилирования особенно интенсивно протекают в верхнем
слое богатых органическим веществом донных отложений водоемов, во взвешенном в воде веществе, а также в слизи, покрывающей рыбу. Метилртуть, выделяясь из донных осадков, включается в биогеохимические циклы. Вследствие того, что производные ртути биодеградируют очень слабо, ртуть имеет тенденцию накапливаться в трофической структуре экосистем (Т.И. Моисеенко, 2010).
Т.И. Моисеенко (2010) подтверждает, что закисление вод способствует активной миграции ртути в водные системы и ее аккумуляции в рыбах. Концентрация ртути в рыбе обратно пропорциональна рН или щелочности воды, что связано с более активным процессом метилирования ртути микробами, которое в свою очередь обратно пропорционально рН на поверхности донных отложений. Кроме того, автор отмечает, что при одних и тех же концентрациях ртути в воде ее содержание в рыбах повышается при увеличение содержания в воде органического вещества.
Опасность ртути для живых организмов заключается:
- во-первых, ртуть может вступать в биохимические реакции со многими белками крови и тканей, при этом блокируя в них активные группы в результате чего данные белки теряют свои биологические свойства;
- во-вторых, поступившая в живой организм метилртуть, переносится током крови и аккумулируется в почках, печени и в мозгу. Поскольку период выделения ртути из организма велик, данный фактор способствует ее накоплению в живых организмах (C.Л. Давыдова, В.И. Тагасов, 2002).
Распределение ртути по органам и тканям не зависит от видовой принадлежности рыб и представляет собой следующий ряд ранжирования: мышцы>печень>кишечник>селезенка>мозг>гонады. Данное явление можно объяснить повышенным содержанием в мышцах функциональных групп
белков (-SH, -NH2, -COOH, -OH), к которым ртуть обладает высоким сродством. В большинстве случаев ртуть, и её соединения снижают скорость роста молоди рыбы, вызывают различные патологические явления: фрагментацию микроскладок выстилающих клеток, набухание дыхательного эпителия, торможение развития гонад, ухудшение обонятельной функции, зрения и дыхания (https://dettme.narod.ru/TMVOS.htm#Ртуть в системе водоем-рыба,4.05.2013).
Кроме того Н.Н. Филов (1989) отмечает, что ртуть снижает активность некоторых ферментов, способствуют разрушению аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Свинец (Pb). Свинец в водных экосистемах находится в основном в виде соединений Pb2+. Данный элемент относится к I классу опасности. Особенности его нахождения в природных водах и миграция объясняются тем, что он сравнительно легко вступает в реакции с водными примесями, образуя малорастворимые соединения. Поэтому концентрация свинца в воде невелика и не превышает 10 мкг/л (В.Н. Маэстренко, Р.З. Хамитов и др., 1996).
В незагрязненных поверхностных водах суши содержание свинца обычно не превышает 3 мкг/л. Но в реках промышленных районов отмечается более высокое содержание соединений этого элемента. Водные растения также способны хорошо аккумулировать свинец. Фитопланктон может удерживать свинец с коэффициентом концентрирования до 105.
В рыбе свинец накапливается незначительно, поэтому для человека в этом звене трофической цепи он относительно неопасен. Метилированные соединения свинца в рыбе незагрязненных водоемов обнаруживаются относительно редко. В регионах с промышленными выбросами накопление
тетраметилсвинца в тканях рыб протекает эффективно и быстро. Острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1-0,5 мкг/л. Наибольшая аккумуляция свинца отмечается в печени (до 1,3 мг/кг) и в сердце (до 0,4 мг/кг) (А.С. Ваганов, 2012). В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая макроэлемент кальций (Г.К. Будников,1998).
Кадмий (Сd). Кадмий представляет собой серебристо-белый мягкий металл, применяемый в легкоплавких и других сплавах, для защитных покрытий. Это побочный продукт, который получают при переработке цинковых руд. Наряду со свинцом и ртутью кадмий не относится к жизненно важным элементом (В.Г. Каплин, 2006).
Кадмий ̶ один из токсичных тяжелых металлов и относится ко II классу опасности. Имеет отчетливую тенденцию к накоплению в организме (https://www.inmoment.ru/beauty/health-body/cadmium.html, 09.03.2012).
Вместе с тем Ю.В. Алексеев (2010) отмечает, что поступление кадмия в окружающую среду может быть связано с использованием в земледелии фосфатов, содержащих этот элемент в виде естественной смеси, а также при развитии электронной и лакокрасочной промышленности, которые широко применяют соединения данного металла.
Кадмий содержится в твердых бытовых отходах и стоках предприятий, перерабатывающих бумажную массу, бывшую в употреблении, газеты и другую макулатуру для изготовления из нее упаковочного картона.
Кадмий проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям, нежели метилртуть. Он для живых организмов опасен тем, что может замещать цинк в ферментах, которые содержат в своих активных центрах металлы, что приводит к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов. В водных экосистемах кадмий связывается с растворенной органикой, если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы. Он образует также комплексы с полисахаридами, гуминовыми кислотами. Считается, что само по себе присутствие высоких концентраций этих веществ, способных связывать кадмий, еще недостаточно для понижения концентрации свободных ионов кадмия до уровня, которое было бы безопасным для живых организмов. Этот металл накапливается водными растениями и тканями внутренних органов рыб. Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием (Г.К. Будников, 1998).
Что же касается растений, то при содержании кадмия около 0,2-1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Токсичность ионов кадмия заметно снижается в присутствии в воде цинка, что подтверждает утверждение о конкуренции этих металлов в организме водных животных (Г.К. Будников, 1998).
Цинк (Zn). Цинк принадлежит к числу широко распространенных в природе элементов и относится к II классу опасности. Этот металл широко применяется в технике, занимает 4-ое место вслед за сталью, алюминием и
медью, а по содержанию в поверхностных водах – находится на 2-м месте после марганца. В речных водах его концентрация колеблется в широких пределах – от нескольких микрограммов до десятков, и реже до сотен мкг/л.
Соединения цинка в водоемы попадают вместе со сточными водами, вымываются из оцинкованных труб и иных коммуникаций, могут накапливаться и поступать в воду из ионообменных фильтров.
По данным исследователей C.Л. Давыдовой и В.И. Тагасова (2002), антропогенное поступление цинка в окружающую среду сильно превышает природное его содержание. Токсичность данного элемента определяется присутствием примесей других тяжелых металлов, особенно кадмия, повышенная аккумуляция которого может приводить к недостатку цинка в организме, что проявляется в нарушении ферментативных реакций. В свою очередь, избыток цинка сказывается на выработке молочной кислоты.
Т.А. Зотина и Н.А. Гаевский (2009) по оценке токсичности тяжелых металлов на водное растение Elodea Canadensis, анализируя время воздействия цинка на растительную клетку, отмечают полное ингибирование
фототаксиса этого водного растения.
Таким образом, цинк является важным микроэлементом в питании растений, но повышенные его концентрации приводят к нежелательным последствиям для растительной клетки (ингибирование фототаксиса, нарушение проницаемости клеточных мембран).
Медь (Cu). Медь – это металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной пленки) и относится ко II классу опасности.
Основным источником поступления меди в природные воды являются стоки предприятий химической промышленности, альдегидные реагенты, используемые для уничтожения водорослей. Медь появляется в результате коррозии медных трубопроводов и других сооружений, используемых в системах водоснабжения.
По данным Н.А.Рудневой (2001), в природных водах медь встречается в небольших концентрациях – 1–3 мг/л с колебаниями от 0,001 до 0,98 мг/л.
Вместе с тем, C.Л. Давыдова и В.И. Тагасов (2002) считают, что количество меди, связанной с твердыми частицами может достигать 97% от общего ее содержания в речной воде. Темпы сорбции меди зависит от количества глинистых частиц и железомарганцевых оксидов, рН среды, жесткости воды, от присутствия поверхностно-активных веществ.
Содержание растворенных форм меди в незагрязненных пресных водах обычно колеблется от 0,5 до 1,0 мкг/л. По токсичности этот металл не является остротоксичной для человека, но в некоторых случаях хронический ее избыток или недостаток может вызвать интоксикацию организма (C.Л. Давыдова, В.И. Тагасов, 2002).
М.М. Шишин (2006), исследуя влияние меди на организм карпа, утверждает, что медь уменьшает скорость пищевой реакции карпа. Степень влияния меди на пищевое поведение зависит от концентрации металла и продолжительности ее воздействия. Медь оказывает негативное влияние на начальные и центральные этапы экзотрофии рыб. Скорость пищевой реакции рыб в присутствии металлов зависит от уровня адреналина и утилизонов. Значительное уменьшение активности протеиназ под действием металлов приводит к снижению уровня сигнальных молекул, снижающих скорость пищевой реакции рыб (М.М. Шишин, 2006).
Известно, что макрофиты поглощают больше меди, чем растения суши, но для большинства водных растений медь – высокотоксичный металл, поэтому значительное ингибирование их роста наблюдается, как правило, при концентрациях <0,1 мг/л.
Этот физиологически важный металл наиболее активно переносится и накапливается в растениях, влияя на изотопный обмен, тканевое дыхание и фотосинтез. Медь является необходимым элементом для нормального роста и жизнедеятельности растений, однако отдельные виды растений имеют различную потребность в этом элементе и неодинаковую устойчивость к ее высоким концентрациям (А.Г. Лапиров, О.А. Лебедева, 2009).
Таким образом, загрязнение водных экосистем представляет серьезную опасность для всех живых организмов, и в частности для человека. Под влиянием поллютантов в пресноводных экосистемах отмечается падение их устойчивости из-за нарушения пищевой цепи и разрушения сигнальных связей в экосистеме, микробиологического загрязнения, эвтрофизации. Они снижают темпы роста гидробионтов, а в ряде случаев приводят к их полной гибели (А.В. Яблоков, С.А. Остроумов, 1983).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасывание сточных вод в поверхностные водоемы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.
Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение. Более широкое внедрение этого метода может в определенной степени решить ряд задач, связанных с очисткой производственных сточных вод.
Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов – это одна из звеньев комплексной, широкой проблемы природы.