CC BY
51
УДК 574.635
Ю.Р. Погорельцев, В.С. Шевцов
ФГОУВПО «СГУ»
ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И ФАКТОРЫ САМООЧИЩЕНИЯ
МОРСКОЙ СРЕДЫ
Рассмотрены основные аспекты процесса самоочищения в морской среде. Описана механика работы биогенных элементов морской среды в продукции и деструкции автохтонного и аллохтонного органических веществ. Рассмотрены органические и энергетические потоки, мигрирующие по трофической цепи морской среды в процессе самоочищения. Представлены отдельные элементы процесса самоочищения в морской среде и влияющие на него факторы.
Ключевые слова: самоочищение, загрязнения, морская среда, деструкция, трофическая цепь, биоценоз.
При рассмотрении вопроса самоочищения водных сред видно, что в процессах самоочищения принимает участие комплекс биоценозов и энергий. Энергия поступает в водную среду в двух формах: в виде свободной энергии тепла, света, движения воды и в виде энергии, запасенной в организмах и в массе органического вещества. Эти источники энергии участвуют в продукции и деструкции органического вещества, создавая физическую среду жизни организмов. Внешние по отношению к водоему источники энергии и внутренние физико-химические процессы создают условия для быстрого разрушения органических веществ.
В свою очередь самоочищение водных сред связано с круговоротом веществ в водоеме. Напряженность, направленность и полнота самоочищения регулируются биотическим круговоротом (рис. 1) и круговоротом энергий, которые определяются лимнологическим типом водоема, географическими особенностями (условия климата), влиянием геофизических и антропогенных воздействий [1].
Биотический компонент
Биогенные элементы
Абиотический компонент
Тепловая энергия
Рис. 1. Биотический круговорот в водной среде
ВЕСТНИК . л
5/2014
В морской среде, как и в любом естественном водоеме, природными условиями устанавливается определенный уровень обмена вещества, или трофии. Такой обмен рассматривается на основании данных о суммарной массе организмов, продуцируемых за определенный промежуток времени [1]. Первый этап биотического круговорота в водоеме осуществляется за счет накопления некоторого количества первичной продукции органических веществ, т.е. воссоздания веществ, необходимых для жизни в процессе фотосинтеза и хемосинтеза.
Количественная и качественная оценка биотического круговорота водоема в целом может быть дана путем определения баланса органического вещества и свободной энергии [2]. На практике дают оценку самоочищения среды по отношению к легкоокисляемому органическому веществу по кислородной методике (БПК) или по общему содержанию органических веществ (ХПК), что является показателем баланса только органической составляющей, давая тем самым обобщенную оценку продуктивности водоема. Это следствие сложности и неоднородности состава сточных вод, поступающих в прибрежную зону моря.
Процесс самоочищения водной среды является сложной совокупностью процессов смешения, седиментации и трансформации веществ, загрязняющих водную среду [3]. Эта совокупность включает в себя разнообразные биологические, гидрологические, химические и физические процессы. При этом принципиальные различия сущности измеряемых показателей и факторов, многообразие их форм и взаимозависимостей делают интегральную оценку самоочищения морских сред трудоемкой комплексной задачей.
Несмотря на это в целом абиогенный поток внешней энергии оказывает сильное и вполне определенное влияние на деструкцию органического вещества.
Например, гумусовые вещества, составляющие 90 % органических соединений водных сред, распадаются довольно быстро [4], в частности, благодаря именно абиогенным факторам (температура водной среды, фотохимическое окисление, ионизирующее излучение, насыщение морской среды кислородом в результате ветрового перемешивания, турбулентное перемешивание и т.п.).
Рассмотрим набор основных органических (гумусовых) веществ, поступающих в морскую среду со сточными водами [5]: формальдегид, ацетон, метанол, этанол, пропанол, изопропанол, бутанол, изобутанол, вторбутанол, третбутанол, изоамиловый спирт, глицерин, глицерофосфат, глюкоза, сахароза, фенол, гидрохинон, нитрометан, роданид калия, мочевина, диэтиламин, аде-нин, триптофан, метионин, анилин, ДНК, желатин, крахмал, сефадекс, фульво-кислота, гуминовые кислоты, органические кислоты.
Абиогенный поток энергии служит источником для формирования химически активных частиц и промежуточных короткоживущих соединений, участвующих в биохимической трансформации веществ. Такой прямой или опосредованный вклад внешних источников энергии в процесс деструкции загрязнений служит причиной уменьшения корреляции между лабораторными экспериментами и природными условиями. Для улучшения точности анализа и оценки результатов деструкции органических загрязнений в морских сре-
дах необходимо включать в расчеты функции абиогенных источников энергии. Такая методика даст более полную интегральную оценку скоростей оборота минеральных и органических веществ в ней, а следовательно, и более полную оценку состояния водных сред в целом [6].
Рассмотрим механику совместной работы комплекса внешних энергий и биогенных элементов в продукции и деструкции органических веществ (рис. 2).
Рис. 2. Работа биогенных элементов в продукции и деструкции органического вещества с учетом влияния лимитирующих физических и химических факторов
В циклах биологического продуцирования участвуют не только органические, но и минеральные соединения.
Чем разнообразнее система организмов, тем полнее распад соединений. Это свойство организмов — дополнять друг друга — называется буферностью системы. Сложная система организмов лучше справляется с органическими и бактериальными загрязнениями, но вместе с тем в меньшей степени реагирует на вносимые биогенные элементы; биотический круговорот в сложных системах более интенсивен [7].
Основную роль в процессе биологического самоочищения морских сред играют сообщества бактерий. Они являются основным элементом экосистемы прибрежной зоны моря. В процессе роста бактериальных популяций перерабатывается основная часть энергии, поступающей в водные экосистемы с авто- и аллохтонным органическим веществом.
Бактерии подготавливают условия для развития других организмов водного биоценоза. Концентрация органического субстрата регулирует интенсивность роста бактерий. Бактериальное самоочищение зависит от общего количества микроорганизмов или отдельных их групп, локально содержащихся в морской среде.
Показатели трофических уровней водоема характеризуются пищевыми взаимоотношениями в экологической системе. Потоки энергии мигрируют по трофической сети морской среды. Процесс самоочищения проходит последовательную группу микростадий химического распада органического вещества на каждом трофическом уровне системы [8].
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2014
Следовательно, основной обмен веществ в водоеме протекает в биоценозе, который формируется под влиянием условий среды, взаимоотношениями между организмами и участием геофизических процессов. Водные биоценозы представляют собой сообщества микроорганизмов, водорослей, зоопланктона и бентоса, высшей растительности и рыб [9]. Инфузории выделены в отдельную группу как составная часть сразу двух групп: бентоса и планктона. Благодаря биоценозам поддерживается относительно устойчивый состав водной среды. Биоценоз — пластичная система, способная откликаться на изменяющиеся условия среды.
Рассмотрим трофическую цепь морской системы биоценоза (рис. 3).
Рис. 3. Органические и энергетические потоки, мигрирующие по трофической цепи
Можно сделать вывод, что работа самоочищения водной среды есть процесс комплексного включения организмов водного биоценоза в процесс деток-сикацию и деструкцию соединений, поступающих в водную среду вместе с автохтонными и аллохтонными загрязнениями. Такой процесс происходит в следующем порядке [10]:
1) использование веществ загрязнений гетеротрофными бактериями;
2) рост и размножение зоопланктона и зообентоса за счет бактерий, взвешенного и растворенного органического вещества;
3) развитие водорослей и стимулирование процесса фотосинтетической аэрации;
4) развитие высшей водной растительности;
5) развитие сообществ нектона.
Рассмотрим отдельные составляющие процесса самоочищения, включая в схему физико-химические составляющие (рис. 4). Растворение, осаждение и другие виды распределения веществ в водоеме являются физико-химическими факторами в процессе самоочищения [11, 12].
Распределение биоценозов и загрязнений в морской среде также следует рассматривать как факторы, влияющие на процессы самоочищения. В одних случаях они интенсифицируют прохождение процессов разрушения и утилизации загрязнений, в других — замедляют их [13].
Рис. 4. Отдельные элементы процесса самоочищения
В основе процесса самоочищения лежит комплекс физико-химических и биологических процессов взаимодействия отдельных составляющих морской среды с внешними [14], по отношению к ней, загрязнениями. Мало изучены способы регулирования отдельных элементов механизма самоочищения. Изучение данных процессов (механизмы и кинетика коагуляции и биофлоку-ляции в морской среде, биологические факторы деструкции загрязнений, процессы седиментации и т.д.) является комплексной и емкой задачей [15].
В заключение отметим, что процессы самоочищения водной среды помогают ликвидировать последствия поступления в нее бытовых и производственных сточных вод. Однако способность к самоочищению любого водоема не безгранична, и в современных условиях видится особенно важным разработка новых инженерных решений, в которых технические возможности очистки воды сочетаются с возможностями интенсификации процессов самоочищения. Изучение механизмов и реакций процесса самоочищения на внешние возмущения позволит выявить его составляющие, поддающиеся регулированию инженерными методами.
Библиографический список
1. Синельников В.Е. Механизм самоочищения водоемов. М. : Стройиздат, 1980. 64 с.
2. Pogoreltsev Yu.R., Mishin S.V. The theoretical aspects of the sea self-purification processes' intensification and the technological islands' complexes designing by the Black Sea coast // Science, Technology and Higher Education : Materials of the III international research and practice conference. Canada, Westwood, 2013. Vol. 2. Pp. 468—475. ISBN 978-1-77192-013-1. Режим доступа: http://science-canada.com/10-2013-2.pdf.
3. Гольдберг Г.А., Зац В.И. Моделирование процессов самоочищения вод. Севастополь : Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского АН УССР, 1991. 59 с.
4. Зайцев Ю.П. Самое синее в мире / United Nations Development Programme. Нью-Йорк : Изд-во ООН, 1998. Black Sea Environmental Series, Vol. 6. 142 p.
5. Шурда К.Э. О некоторых экологических проблемах и направлениях Черного моря. Одесса : ЦНТПИОНЮА. 2003. C. 56—58.
6. Чепурнова Э.А., Жаров Н.А. Микробиологические показатели в оценке самоочищающей способности морских вод. Севастополь : Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского АН УССР, 1984. 6 с.
7. Миронов О.Г. Бактериальная трансформация нефтяных углеводородов в прибрежной зоне моря // Морской экологический журнал. 2002. Вып. 1. С. 56—66.
8. Шевцов В.С., Погорельцев Ю.Р. Исследование закономерностей биохимических процессов окисления загрязнений в морской среде // Морские берега — эволюция, экология, экономика : материалы XXIV Междунар. береговой конференции, посвященной 60-летию со дня основания Рабочей группы «Морские берега» Туапсе, 1—6 октября 2012 : в 2 т. Краснодар : Юг, 2012. Т. 2. С. 109—112.
9. Экспериментальное изучение поглощения биогенов высшими водными растениями / Г.С. Гигевич, А.Л. Жуховицкая, М.П. Оношко, В.А. Генералова // Прикладная лимнология : сб. науч. ст. Минск, 2000. Вып. 2. С. 90.
10. Соловьева О.В. Потоки нефтяных углеводородов через поселения мидий, обитающих на южном молу Севастопольской бухты // Морской экологический журнал. 2007. № 4. Т. VI. С. 61—68.
11. Black Sea transboundary diagnostic analysis. BSERP; Global Environment Facility. New York, 2007. 114 р.
12. Maureen E. Callow, James A. Callow. Marine biofouling: a sticky problem. University of Birmingham. UK, 2002. 34 p.
13. Painter H.A. Organic compоunds in solution in sеwage effluents // Chemistry and Industry. New York, 1973. 55 р.
14. Warren Ch. Aquatic biology and Water pollution control. W.B. Saunders Co. Philadelphia, 1971. 95 p.
15. Yorulmaz Y., Manning F.S. Elimination of dissolved organics in waste waters. Processing. USA Colorado, 1975. 12 p.
Поступила в редакцию в апреле 2014 г.
Об авторах: Погорельцев Юрий Романович — аспирант кафедры экспертизы и управления недвижимостью, Сочинский государственный университет (ФГБОУ ВПО «СГУ»), 354000, г. Сочи, ул. Советская, д. 26 а, mscontrolprogram@mail.ru;
Шевцов Виктор Сергеевич — кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой экспертизы и управления недвижимостью, Сочинский государственный университет (ФГБОУ ВПО «СГУ»), 354000, г. Сочи, ул. Советская, д. 26 а, vishev@mail.ru.
Для цитирования: Погорельцев Ю.Р., Шевцов В.С. Трофические цепи и факторы самоочищения морской среды // Вестник МГСУ 2014. № 5. С. 119—126.
Yu.R. Pogorel'tsev, V.S. Shevtsov
TROPHIC CHAIN AND SEA ENVIRONMENT SELF-CLEANING FACTORS
This article considers the main aspects of the process of self-purification in the marine environment. It describes mechanics of biogenic elements of the marine environment in the process of production and destruction of autochthonous and allochthonous organic matter. This article discusses organics and flows of energy, which migrate to the trophic chain of the marine environment in the process of self-purification. And it shows the individual elements of the process of self-purification in the marine environment and the factors influencing it. In the article it is noted that self-cleaning of water environment happens due to the cycling of matter in the pond. It is emphasized that tension, focus
and self-purification completeness are regulated by biotic turnover and energy turnover, which is determined by the type of limnological type of reservoir, geographical features (climate conditions), geophysical and anthropogenic impacts. The article notes that the more diverse system of organisms is, the fuller the compounds' decay is. This property of organisms to complement each other is called buffering of the system. Complex system of organisms cope better with organic and bacterial contamination, but is less responsive to insertion nutrients; biotic cycle in complex systems is more intense. Bacterial community plays the major role in the process of self-purification of biological marine environments. They are the major element of the coastal zone ecosystems. This article shows that during the growth of bacterial populations most of the energy supplied to the aquatic ecosystems with auto-and allochthonous organic matter is processed. The bacteria prepare the conditions for the development of other organisms of water biocenosis. Concentration of the organic substrate regulates the growth rate of bacteria. Bacterial self-cleaning depends on the total number of microorganisms or their separate groups, locally contained in the marine environment.
Key words: self-purification, pollution, marine environment, destruction, trophic chain, biocenosis.
References
1. Sinel'nikov V.E. Mekhanizm samoochishcheniya vodoemov [Mechanism of Basins Self Purification]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1980, 64 p.
2. Pogoreltsev Yu.R., Mishin S.V. The Theoretical Aspects of the Sea Self-purification Processes' Intensification and the Technological Islands' Complexes Designing by the Black Sea Coast. Science, Technology and Higher Education: Materials of the III International Research and Practice Conference. Canada, Westwood, 2013, vol. 2, pp. 468—475. ISBN 9781-77192-013-1. Available at: http://science-canada.com/10-2013-2.pdf.
3. Gol'dberg G.A., Zats V.I. Modelirovanieprotsessovsamoochishcheniya vod[Modeling the Processes of Waters Self Purification]. Sevastopol', Institut biologii yuzhnykh morey im. A.O. Kovalevskogo AN USSR Publ., 1991, 59 p.
4. Zaytsev Yu.P. Samoe sinee v mire [The Most Blue in the World]. United Nations Development Programme. New-York, UN Publ., 1998, Black Sea Environmental Series, vol. 6, 142 p.
5. Shurda K.E. O nekotorykh ekologicheskikh problemakh i napravleniyakh Chernogo moray [On Some Ecological Problems and Directions of the Black Sea]. Odesa, TsNTPI-ONYuA Publ., 2003, pp. 56—58.
6. Chepurnova E.A., Zharov N.A. Mikrobiologicheskie pokazateli v otsenke samoochish-chayushchey sposobnosti morskikh vod [Microbiological Attributes in Estimating Self-Purifying Capacity of Sea Waters]. Sevastopol', Institut biologii yuzhnykh morey im. A.O. Kovalevskogo AN USSR Publ., 1984, 6 p.
7. Mironov O.G. Bakterial'naya transformatsiya neftyanykh uglevodorodov v pribrezhnoy zone morya [Bacterial Transformation of Petroleum Hydrocarbons in Nearshore Zone]. Mor-skoy ekologicheskiy zhurnal [Sea Ecological Journal]. 2002, no. 1, pp. 56—66.
8. Shevtsov V.S., Pogorel'tsev Yu.R. Issledovanie zakonomernostey biokhimicheskikh protsessov okisleniya zagryazneniy v morskoy srede [Investigating the Regularities of Biochemical Processes of Pollution Combustion in Sea Environment]. Morskie berega — evoly-utsiya, ekologiya, ekonomika: materialy XXIV Mezhdunarodnoy beregovoy konferentsii, posvyashchennoy 60-letiyu so dnya osnovaniya Rabochey gruppy «Morskie berega» [Sea Shores — Evolution, Ecology, Economy: Materials of the 24th International Shore Conference, Dedicated to 60th Anniversary of the Working Group "Sea Shores"]. Tuapse, 1—6 October 2012, Krasnodar, Yug Publ., 2012, vol. 2, pp. 109—112.
9. Gigevich G.S., Zhukhovitskaya A.L., Onoshko M.P., Generalova V.A. Eksperimental'noe izuchenie pogloshcheniya biogenov vysshimi vodnymi rasteniyami [Experimental Study of Biogene Absorbtion by Higher Sea Plants]. Prikladnaya limnologiya: sbornik nauchykh statey [Applied Limnology: Collection of Scientific Articles]. Minsk, 2000, no. 2, p. 90.
10. Solov'eva O.V. Potoki neftyanykh uglevodorodov cherez poseleniya midiy, obi-tayushchikh na yuzhnom molu Sevastopol'skoy bukhty [Flows of Petroleum Hydrocarbons through the Mussels Habitations on the South Bar of Sevastopol Bay]. Morskoy ekologiches-kiy zhurnal [Sea Ecological Journal]. 2007, no. 4, vol. VI, pp. 61—68.
11. Black Sea Transboundary Diagnostic Analysis. BSERP; Global Environment Facility, New York, 2007, 114 p.
12. Maureen E. Callow, James A. Callow. Marine Biofouling: a Sticky Problem. University of Birmingham, UK, 2002, 34 p.
13. Painter H.A. Organic Compounds in Solution in Sewage Effluents. Chemistry and Industry. New York, 1973, 55 p.
14. Warren Ch. Aquatic Biology and Water Pollution Control. W.B. Saunders Co., Philadelphia, 1971, 95 p.
15. Yorulmaz Y., Manning F.S. Elimination of Dissolved Organics in Waste Waters. Processing. USA Colorado, 1975, 12 p.
About the authors: Pogorel'tsev Yuriy Romanovich — postgraduate student, Department of Real Estate Inspection and Management, Sochi State University (SSU), 26 a Sovetskaya Str., Sochi, 354000, Russian Federation; mscontrolprogram@mail.ru;
Shevtsov Viktor Sergeevich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Head, Department of Real Estate Inspection and Management, Sochi State University (SSU), 26 a Sovetskaya Str., Sochi, 354000, Russian Federation; vishev@mail.ru.
For citation: Pogorel'tsev Yu.R., Shevtsov V.S. Troficheskie tsepi i faktory samooch-ishcheniya morskoy sredy [Trophic Chain and Sea Environment Self-Cleaning Factors]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 5, pp. 119—126.
