Таким чином, у річці відбувається
постійна зміна як загальної концентрації розчинених речовин, так і
співвідношення між окремими речовинами. Також із плином відбувається
переміщення розчинених у воді мінеральних та органічних речовин, нерідко разом
з гідробіонтами. Вся ця тверда, розчинена та біологічна маса безперервно
переміщується по руслу, аж до устя ріки, іноді на цьому шляху частина
транспортованих речовин залишається в заплаві, переходить у підземні водоносні
обрії та рухається по них, або виділяється при випарюванні в ноосферу [23, 33,
35].
1.4 Проблеми біогенного насичення у
річках України
Інтенсифікація господарської діяльності, одна із обов'язкових умов подальшого розвитку людського суспільства, супроводжується безумовним посиленням антропогенного впливу на довкілля. Однією із найбільш вразливих його ланок є води місцевого стоку - малі річки та водотоки. Вони започатковують гідрографічну сітку будь-якої території, на них лягає і найбільший тягар антропогенного пресингу, оскільки за своїми гідрологічними параметрами (малий об'єм стоку, низькі рівні води) вони часто не справляються з поступаючими до них забруднюючими речовинами. Тому надходження в річки забруднених вод з сільськогосподарських угідь з промисловими та комунально-побутовими водами може призвести до різкого зниження самоочисної здатності річки, зробити воду непридатною для використання.
Найбільшу увагу викликає вивчення надходження та розподілу у водах місцевого стоку біогенних речовин, особливо сполук азоту і фосфору. Адже вони є хімічними каталізаторами процесу антропогенного евтрофування поверхневих вод, який у наш час вже досяг глобального, планетарного масштабу. Він характеризується різким збільшенням біомаси водоростей, вищої водної рослинності, фітопланктону за рахунок надходження поживних біогенних речовин антропогенного генезису. В результаті біохімічного розкладу цієї біомаси у воді річок та водосховищ може виникати, починаючи з другої половини літа, дефіцит кисню, що супроводжується заморними явищами і являє собою значну загрозу для життєдіяльності багатьох гідробіонтів. Крім того, в результаті розкладу рослинних організмів у воду надходять токсичні речовини, небезпечні як для тварин, так і для людини [15].
Значна концентрація біогенних речовин у воді може бути досить небезпечною для людини. Так, підвищення вмісту нітратів у питній воді може призвести до захворювання на метгемоглобінанемію, виникає пригнічення травних шлункових ферментів і розвиваються диспептичні явища. Нітрати також є попередниками нітрозоамінів, канцерогенних речовин, що викликають онкологічні захворювання, а при певних умовах можуть виступати і як мутагени, що призводять до генетичних захворювань.
У зв'язку із вищезазначеним необхідно досліджувати питання надходження та розподілу біогенних речовин у водах місцевого стоку. Найбільш зручним для досліджень об'єктом є малі річки, як такі, що розташовані в різних природно-географічних зонах, характеризуються різним рівнем антропогенного впливу і досить добре забезпечені даними гідрохімічних досліджень.
Вивченню вмісту та стоку біогенних речовин річок України присвячено роботи О.М. Алмазова, О.І. Денисової, О.П. Нахшиної. Дані про стік біогенних речовин р. Горині присутні у роботі Д. Коненко, І.Г. Гарасевич, І.Г. Енакі. Характеристика біогенних елементів для Нижнього Дніпра подана в роботі Л.О. Журавльової, а особливості формування вмісту біогенних речовин та характеристик їх стоку у річках басейну Дніпра - у роботі С.І. Сніжка [5]. Все ж, в цілому, для території України це питання ще потребує додаткового вивчення.
Більшість дослідників включають до переліку основних джерел надходження біогенних речовин (сполук азоту і фосфору) у річкові води комунальне господарство, промисловість, сільське господарство, тваринництво, землеробство, атмосферні опади. Значну роль відіграють також внутрішні процеси у водному об'єкті [14].
Потужним джерелом біогенних речовин є стічні води міського комунального господарства. За різними оцінками вони вносять у водні об'єкти від 28 до 91% фосфору та від 18 до 96% азоту від загальної кількості надходження цих речовин. Причина - високий вміст азоту і фосфору в цій категорії стічних вод. За добу від одного жителя надходить 10 -12 г фосфору, причому до 60% цієї кількості формується за рахунок детергентів, в склад яких входить 20-35% полі фосфатів, або 0,5 - 8,7% фосфору [10].
Незадовільний стан очищення комунально-побутових стічних вод відбивається на якості річкових вод, що приймають ці стоки [8].
Важливу роль у надходженні біогенних елементів відіграють скиди промислових стічних вод. Найбільший внесок дають виробництва мінеральних добрив, детергентів, деревообробні комбінати, деякі галузі хімічної та харчової промисловості [8]. Розраховано, що за рахунок виробництва, транспортування та зберігання добрив надійшло у гідросферу 10%, а за рахунок виробництва детергентів, деревообробної та інших галузей промисловості - 25% фосфору .
Велика кількість робіт присвячена вивченню надходження азоту і фосфору із сільськогосподарських угідь. Встановлено, що виніс біогенних елементів пов'язаний із кількістю використаних на водозборі добрив [14].
Дослідження, проведені Гідрохімічним інститутом дозволили оцінити розміри виносу азоту і фосфору зі зрошуваних угідь, розміщених в різних природних зонах. В Україні дослідженням цього питання займались І.Г. Захарченко із співавторами К.П. Юрко, О.Г. Тараріко і Л.П. Коломієць, Сніжко С.І. та інші. Вважається, що важливим джерелом надходження біогенних речовин є тваринництво. Воно дає близько 2/3 всієї кількості фосфору, що надходить у поверхневі води [8]. Значна кількість біогенних речовин надходить на водозбори річок з опадами. Ця величина оцінюється для фосфору 4-10%, а для азоту 25%-43% . Дані, що характеризують надходження цих речовин на територію України, можна знайти в роботах [29].
У сучасний період інтерес до вивчення біогенних речовин в атмосферних опадах виріс, що пов'язано з вирішенням ряду важливих теоретичних і прикладних задач раціонального природокористування. Якщо звернути увагу, у воді більшості річкових басейнів не тільки максимальні із середньорічних, а й середні для басейнів значення концентрацій азоту в сполуках №Ц+ та N02- перевищують граничнодопустимі концентрації (ГДК).
Для мінерального фосфору ГДК нормативними документами не встановлена, але вважається, що концентрація 0,05 мг/л є граничною для попередження порушень екологічної рівноваги та антропогенного евтрофування водойм. Порівнюючи з цією величиною узагальнені дані про вміст речовин, можна пересвідчитися у стабілізації забруднення вод більшості річкових басейнів фосфором. Це свідчення наявності реальної загрози антропогенного евтрофування річок України, особливо маловодних, регульованих ставками та водосховищами з малим водообміном.
Спостерігається тотальне перевищення ГДК майже усіма сполуками азоту і фосфору. Відмічаються високі рівні забруднень нітратами (р. Сіверський Донець - м. Лисичанськ), що раніше було характерно тільки для ґрунтових вод деяких сільськогосподарських регіонів.
Внаслідок біогенного насищення відбувається евтрофікація (від грецького еійгорпіа - добре харчування) - збагачення водойм біогенними елементами, що супроводжується підвищенням продуктивності водойми. Також евтрофікація може бути наслідком природного старіння водойми, внесення добрив або забруднення стічними водами. За рівнем евтрофікації водойми поділяються на оліготрофні (слабо евтрофіковані), мезотрофні (середньо евтрофіковані) та евтрофні (сильно евтрофіковані). Іноді також в окрему категорію виділяють гіперевтрофні (дуже сильно евтрофіковані) водойми - такі, де евтрофікація спричинює масове відмирання біоти та різку зміну параметрів екосистеми [30].
Для евтрофних водойм характерні багаті та різноманітні літоральна та субліторальна рослинність, велика кількість планктону. Розбалансована евтрофікація може призводити до вибухового розвитку одноклітинних водоростей ("цвітіння води"), дефіциту кисню та, як наслідок, загибелі вищої рослинності, риб та інших тварин. Як наслідок масованої та незбалансованої евтрофікації більша частина флори та фауни водойми може бути знищеною, а екосистема водойми - різко та катастрофічне зміненою.
Концентрація біогенних елементів та їхній режим залежать від інтенсивності біологічних та біохімічних процесів в водоймі та від кількості біогенів, що потрапляють у водойму із стічними водами та поверхневим стоком на площі водосбору. Концентрації азоту та фосфору характеризують хрофність ("кормність") водойми. Режим біогенних елементів розглядають як вихідний показник потенціальної евтрофікації. Вважається, що надмірна евтрофікація водойм починається при вмісті в воді азоту в концентрації 0.2-0.3 мг/л, фосфору - 0.01-0.02 мг/л. При переході від оліготрофних водойм до мезотрофних та евтрофних істотно зростає доля амонійного азоту в його загальній кількості. Одним із найважливіших компонентів водного середовища, що визначає його екологічну якість, є наявність у воді органічних забруднень.
У процесі життєдіяльності гідробіонти виділяють у воду білки, амінокислоти, вуглеводи, сечовину, пурини, фосфати, амонійні сполуки тощо. Фактично у водному середовищі знаходяться всі ті органічні речовини, з яких побудовано тіло рослин і тварин. Крім того, органічні речовини надходять у водні об'єкти з атмосферними опадами, з поверхневим стоком, що формується на великих площах суходолу, з боліт, торф'яників, зрошувальних земель, промислових та комунально-побутових підприємств. Усі ці стоки привносять значну кількість різноманітних за своєю структурою і хімічним складом органічних речовин. За походженням органічні речовини поділяються на алохтонні, які надходять з площі водозбору, та автохтонні, що утворюються в самій водній екосистемі. Найбільшу масу органічної речовини створюють фітопланктон і макроліти в процесі фотосинтезу. Значну кількість автохтонної органічної речовини становить детрит, або мертва органічна речовина, яка утворюється внаслідок розкладу залишків організмів рослинного і тваринного походження і містить також 4-5% бактерій [33].
Найважливішим внутрішньоводоймним процесом утворення органічної речовини, з яким пов'язане і само забруднення водойм, є фотосинтез фітопланктону, фітобентосу та вищої водяної рослинності. Ступінь забруднення водних об'єктів органічними речовинами визначає їх сапробність.
Гідробіонти, які живуть у забруднених органічними речовинами водах і приймають участь у процесах їх розкладу, називаються сапробіонтами, або сапротрофами. Вони є важливим ланцюгом у біологічному кругообігу речовини і енергії. До цієї групи належать бактерії, актиноміцети, гриби, окремі види водоростей, здатні засвоювати органічні речовини.
За ступенем забруднення вод органічними речовинами їх поділяють на полі-, мезо- і олігосапробні, а гідробіонти, які в них мешкають, називаються полі-, мезо- і олігосапробами. Мешканців особливо чистих вод називають катаробами, або катаробіонтами, а особливо брудних - гіперсапробами.
Одним з основних показників при оцінці сапробності водних об'єктів або їх окремих зон є кількісна характеристика наявності або відсутності у воді вільного кисню. Чим більша ступінь забруднення органічними речовинами, тим більша кількість О2 використовується на окислення і тим менша його концентрація залишається у воді [26].
Однією з найважливіших умов, необхідних для перебігу біологічних та біохімічних процесів у напрямку самоочищення води, є наявність у ній розчиненого кисню. Якщо ж кисню у воді міститься недостатньо, його може не вистачити для підтримання життєвих процесів: аеробне середовище в такому разі перетворюється на анаеробне. Органічні сполуки замість окислення зазнають анаеробного розкладання з виділенням гідроген сульфіду, метану, водню, оксиду карбону (IV), що призводить до вторинного забруднення водойми.
Швидкість біологічних процесів у водоймі залежить від багатьох факторів. Так, з підвищенням температури вона зростає, що супроводжується швидшою витратою кисню у водоймі. Це спричинює певну небезпеку для водойм у разі скидання в них значної кількості стічних вод улітку або теплих стоків. Влітку кисень витрачається значно швидше, ніж взимку [20].
Біогенні речовини (органічні сполуки нітрогену та фосфору), які надходять у водойми зі стічними водами та змитими з полів добривами, стимулюють ріст фітопланктону, синьо-зелених та інших водоростей. Відбувається дуже інтенсивний ріст водоростей - вода забарвлюється в різні кольори (цвітіння водойм). Під впливом водоростей змінюється смак води, вона набуває неприємного запаху. У водоймі при відмиранні водоростей розвиваються гнилісні процеси. Бактерії, що окислюють органічні речовини, споживають кисень, спричиняють його дефіцит у водоймі. Вода починає гнити, виділяти аміак і метан, на дні накопичуються липкі сірководневі відкладення. Від нестачі кисню, їжі гинуть риби, молюски, ракоподібні. Вода стає непридатною для пиття. Забруднення водних екосистем становить величезну небезпеку для всіх живих організмів й, зокрема, для людини. Установлено, що під впливом забруднюючих речовин у прісноводних екосистемах відзначається падіння їхньої стійкості внаслідок порушення харчової піраміди й ламання сигнальних зв'язків у біоценозі, мікробіологічного забруднення, евтрофування й інших украй несприятливих процесів. Вони знижують темпи росту гідробіонтів, їхня плідність, а в ряді випадків приводять до їхньої загибелі [16]. Антропогенне евтрофікування досить негативно впливає на прісноводні екосистеми, приводячи до перебудови структури трофічних зв'язків гідробіонтів, різкому зростанню біомаси фітопланктону завдяки масовому розмноженню синьо-зелених водоростей, що викликають "цвітіння" води, що погіршують її якість й умови життя гідробіонтів (до того ж виділяють небезпечні не тільки для гідробіонтів, але й для людини токсини). Зростання маси фітопланктону супроводжується зменшенням розмаїтості видів, що приводить до непоправної втрати генофонду, зменшенню здатності екосистем до гомеостазу й саморегуляції. Процеси антропогенної евтрофікації охоплюють багато великих озер світу - Великі Американські озера, Балатон, Ладожське, Женевське й інші, а також водоймища й річкові екосистеми у першу чергу малі ріки. На цих ріках, крім катастрофічно зростаючої біомаси синьо-зелених водоростей, з берегів відбувається заростання їхньою вищою рослинністю. Самі ж синьо-зелені водорості в результаті своєї життєдіяльності роблять найсильніші токсини, що представляють небезпеку для гідробіонтів і людини.
Крім надлишку біогенних речовин на прісноводні екосистеми згубний вплив роблять й інші забруднюючі речовини: важкі метали (свинець, кадмій, нікель), феноли тощо.
Евтрофікація обумовлена діяльністю людини. Розвивається в результаті збагачення водойми біогенними елементами, що надходять зі стічними водами, а також з поверхневим стоком з полів, що вдобрюють; приводить до "цвітіння" води й до різкого погіршення її якості [24]. Евтрофікація може знизити рекреаційну цінність поверхневих вод і можливості їхнього використання для лову риби, купань, а, отже, може спричинити соціальні наслідки й економічні втрати. Надходження часток ґрунту в поверхневому стоці у водойми також негативно позначається на якості води. У результаті змиву відбувається помутніння води й погіршення кисневого режиму у воді. Перше особливо добре помітно після сильних заливних дощів, коли змив часток ґрунту із прибережних територій, у тому числі й сільськогосподарських, збільшується в кілька разів. Очищення водойм від органічного й біогенного забруднення, відновлення біологічного балансу й самоочищення. Розрізняють природну, стічну й денатуровану воду. Природна вода - це вода, що якісно й кількісно формується під впливом природних процесів при відсутності антропогенного впливу і якісні показники якої перебувають на природному середньо багатолітньому рівні. Стічна вода - це вода, що була в побутовому, виробничому або сільськогосподарському вживанні, а також минула через яку-небудь забруднену територію, у тому числі населеного пункту. Природна вода, що піддає антропогенному забрудненню, наприклад, шляхом змішання зі стічною водою, називається денатурованої або природно-антропогенної.
Природна водойма являє собою біологічно збалансовану екологічну систему настроєну на самоочищення й самовідновлення. Це природний стан біологічного балансу може бути порушене як у результаті природного старіння водойми, нагромадження у водоймі природної органіки: листя, гілок, екскрементів риб і водоплавних птахів, що відмерли водяних рослин, так й у результаті інтенсивного забруднення водойми органічними речовинами й живильними (біогенними) елементами: сміття, зливові стічні води, нанос із полів і доріг, погано очищені стічні води, каналізація, добрива удосталь доставляють у водойму органікові. Потрапивши у водойму, органічні речовини частково розчиняються у воді, частково опускаються на дно водойми, де з них формується органічна біомаса донного мулу, що піддається безперервному розкладанню гнильними бактеріями й грибками. При розкладанні, органічні речовини інтенсивно забирають із води розчинений кисень, виділяючи у воду продукти розпаду - живильні (біогенні) елементи азоту, фосфору. Надлишок у водоймі органічних речовин і живильних елементів приводить спочатку до порушення біологічної рівноваги й придушенню біологічного самоочищення водойми, а потім до зміни типу екосистеми ставка або озера на евтрофний - тобто до заболочування. Ознаками інтенсивного забруднення є високий рівень донного осаду, висока мутність води особливо в теплий період, плівка на поверхні водного дзеркала, неприємний захід, активне газоутворення, періодичні замори, неконтрольоване розмноження фітопланктону: синьо-зелені водорості, твань, ряска. Спалаху розмноження синьо-зелених водоростей ("цвітіння" водойми) чергуються із заморами, тому що розкладання біомаси синьо-зелених водоростей, що відмирають, забирає з води життєво необхідний кисень і виробляє живильні елементи для нового масового "цвітіння" [33].