Живые фильтры водоемов

Вода имеет большое значение для всего живого. Особенно она важна для обитателей водоемов, для которых она не только элемент в строении организмов, но и среда обитания. Растения, рыбы, амфибии и другие организмы составляют взаимосвязанное сообщество. Иногда в водной экосистеме появляются новые вещества, нарушающие привычный уклад жизни ее обитателей. Как в водных экосистемах налажены процессы самоочищения? Какова роль самих живых организмов в этом процессе?

Говоря о появлении в водоемах каких-либо новых веществ, мы часто думаем о влиянии человека, но причина не всегда в нас. Это может происходить и в результате различных природных процессов. При эвтрофикации (избыточном количестве в воде биогенных элементов, особенно фосфатов и нитратов) начинается цветение воды. Рост микрофлоры снижает прозрачность воды, солнечным лучам становится все труднее проникнуть к дну водоема, в результате этого начинают гибнуть придонные растения, а затем и живые организмы, которые употребляли их в пищу. Появляется больше бактерий, разлагающих остатки органического вещества, они активнее употребляют кислород, его становится недостаточно для рыб и других животных. В донном грунте, лишенном кислорода, начинается анаэробный распад организмов с образованием сильных ядов. Эвтрофикация уничтожает значительную часть видов флоры и фауны водоема, сильно трансформирует экосистему, практически полностью ее разрушая. Такая вода становится непригодной для купания или питья, из-за низкого уровня кислорода водоем может превратиться в болото. Таким образом, изменение лишь одного фактора влияет на всю экосистему. 

Хитро расставленные «сети» фильтраторов

Поддержание качества воды, необходимого для жизни обитателей водоемов, обусловливается физическими, химическими и биотическими факторами. Особую роль в этом играют живые организмы, у каждого из которых своя задача. Таким образом, ни один гидробионт (житель водной среды) не остается без дела. Микроорганизмы и бактерии, входящие в первый трофический уровень пищевой цепи, окисляют органические загрязнения. Инфузории, представители второго трофического уровня, поедают бактерии; зоопланктон питается инфузориями и бактериями (третий уровень); рыбы и другие гидробионты поедают зоопланктон, водоросли и некоторые высшие водные растения (четвертый уровень). Так, сообща, они поддерживают чистоту водоема, не позволяя какому-либо из элементов значительно разрастись. 

В процессе самоочищения водоемов большую роль играют фильтраторы. Их разделяют на активные и пассивные. Активные фильтраторы создают ток воды через специальные приспособления для фильтрации: жабры у двустворчатых моллюсков, ножки у усоногих и листоногих раков, ротовые придатки у веслоногих раков, жаберные тычинки у рыб, пластины китового уса у усатых китов и т.д. Пассивные же расставляют свои ловчие сети в текучих водах так, что еда сама направляется к ним в «рот» (это возможно благодаря венчику перистых лучей морских лилий, пучкам щетинок на верхней губе личинок комаров, ловчим воронкам личинок мошек и др.).

Двустворчатые моллюски — мощный фактор самоочищения водоемов. Так, дрейссена длиной 2–3 см пропускает через себя за сутки 1,5–2 л воды, перловицы и беззубки длиной 5–6 см — до 12 л, а крупные перловицы и беззубки длиной 9–11 см — до 60–70 л воды в сутки. Пропуская через себя воду, они отфильтровывают взвешенные частицы. Мельчайшие животные и растения, а также органические остатки поступают в пищеварительную систему моллюсков, несъедобные вещества оседают на слое слизи, покрывающем поверхность мантии двустворчатых. Слизь по мере загрязнения перемещается к концу раковины и выбрасывается в воду. Комочки ее представляют собой комплексный концентрат для питания микроорганизмов, завершающие цепь биологической очистки вод, так как они входят в первый уровень трофической цепи. Далее самоочищение происходит за счет разбавления, оседания частиц на дно, где токсичные вещества постепенно распадаются.

Санитарами водоемов считают раков. Основу их рациона составляют не только рыба и личинки насекомых, например стрекоз, но и гниющие органические остатки. Таким образом, они чистят водоем, при этом сами после поедания несвежей пищи чувствуют себя хорошо.

Щука, занимая выжидательную позицию, тоже не прочь полакомиться слабой и больной добычей, что способствует естественному отбору. Другой пример из рыб — сом. Он всеяден, а значит, может съесть и рыбу, и утонувших животных, и водоросли, очищая водоем от излишней растительности.

Растения-помощники

Водоемы очищают не только животные, но и растения, причем важно их разнообразие. Эколог из Мичиганского университета в Анн-Арборе Брэдли Кардинале изучил, какое количество видов водорослей в среде обитания влияет на скорость удаления нитратов из воды. Он обнаружил, что в водотоках, где растут восемь видов водорослей, уменьшение нитратов происходит в четыре с половиной раза быстрее, чем в местах только с одним видом. Об этом была опубликована статья в журнале Nature. 

Значительно способствуют очищению водоемов высшие водные растения — макрофиты. Они извлекают из водоемов разные токсические вещества, тяжелые металлы, радионуклиды. На их поверхности образуются микробиоценозы, которые способствуют активному распаду ряда опасных веществ: нефтепродуктов, фенолов.

Как указывает М.В. Кропачева из Астраханского государственного технического университета, один из основных типов растительности в дельте Волги — тростник. В процессе своей жизнедеятельности он поглощает из водоема вещества различной химической природы, в том числе токсические соединения. Помимо тростника, отличными очищающими свойствами обладают камыш, рогоз узколистый и широколистый, гречиха водяная, кувшинка и кубышка, гиацинт (эйхорния), касатик желтый, сусак, стрелолист обычный, резуха морская, уруть, хара, ирис и другие водные растения.

Камыш — прибрежное растение, частично погруженное в воду. Известно, что он имеет высокие адаптивные свойства и способен прорастать в очень загрязненных промышленными сточными водами водоемах. Он удаляет из воды ряд органических соединений, в том числе фенолы, нафтолы, анилины и прочие органические вещества. Эйхорния, которую также называют водным гиацинтом, освобождает воду от вредных веществ, нитратов и излишней органики, поглощая их. В древние времена воины в дальних походах использовали водной гиацинт как мобильный фильтратор: они помещали его в непригодную для питья воду, и эйхорния через какое-то время ее очищала. Спустя века ученые обнаружили, что на поверхности корневой системы эйхорнии осаждаются взвеси, содержащиеся в воде, и чем грязнее водоем, тем лучше чувствует себя растение. Такое водное растение, как водный орех, также способно очищать воды, главным образом от опасных нитратов. А пистия собирает на корнях мутную воду и очищает ее от различных органических соединений, например от фосфатов.

Обладая этими знаниями, человек стал использовать растения и животных — фильтраторов намеренно. Биологические методы очистки водоемов с помощью высших водных растений хорошо себя зарекомендовали в системе очистки коммунально-бытовых стоков как наиболее экологически и экономически выгодные благодаря простоте технологии и низким эксплуатационным расходам. Их применяют в том числе для очистки сточных вод с предприятий пищевой, нефтеперерабатывающей промышленности и т.п. Ученые из США провели исследование и доказали, что стоимость очистки бытовых сточных вод в прудах с зарослями камыша и других водных растений в десять раз меньше, чем стоимость традиционных систем при удовлетворительном качестве очистки воды от соединений азота, фосфора, взвешенных и органических веществ (Тимофеева М.Е., Гапоненко А.В. Использование высших растений при очистке вод). А в искусственных водоемах, помимо очистительных свойств, растения еще и радуют глаз.

Не только фильтраторы, но и индикаторы

Кроме того, что живые организмы имеют способность к очищению водоемов, некоторые из них способны выступать еще и как индикаторы, поэтому исследователи даже рассматривают состояние гидробионтов как индикатор чистоты вод. Согласно индексу Майера, в чистых водах обитают следующие организмы: двустворчатые моллюски, личинки вислокрылок, ручейников, поденок, веснянок. Организмы средней чувствительности: речной рак, бокоплав, личинки стрекоз, комаров-долгоножек, моллюски-катушки, моллюски-живородки. А индикатор того, что вода в водоеме загрязненная, — наличие в ней личинок комаров-звонцов, пиявок, водяных осликов, прудовиков, личинок мошек, малощетинковых червей.

Вся надежда на тебя, человек

Одно из важных условий стабильности экосистемы, как и популяционной системы отдельного вида, — саморегуляция через взаимодействие относительно независимых структурных компонентов системы. Практически все организмы, участвующие в процессах самоочищения водоемов, находятся под двойным контролем организмов предыдущего и последующего трофических звеньев в пищевой цепи.

Например, фильтрационная активность гидробионтов продублирована таким образом, что ее осуществляют две большие группы организмов — планктон и бентос. Обе группы организмов фильтруют значительное количество воды с большой скоростью. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в пелагиали (зона моря или океана, которая не находится в непосредственной близости от дна) планктонных организмов благодаря тому, что личинки многих бентосных фильтраторов ведут планктонный образ жизни.

К сожалению, биологические организмы водоемов способны справиться не с всякими загрязнениями. Самоочищающая способность водоема зависит от многих факторов: температуры, количества антропогенных выбросов и т.д. Поэтому важно как минимум не добавлять природе излишних хлопот по наведению порядка — ответственно подходить к использованию водных ресурсов и с уважением относиться к окружающей среде. 
 

Источники

1. Сибагатуллина А.М., Мазуркин П.М. Изменение загрязненности речной воды (на примере малой реки Малая Кокшага). Биологические методы оценки загрязнения вод. М., 2009. Доступно по адресу: https://monographies.ru/ru/book/view?id=55
2. Ивчатов А.Л. Малов В.И. Химия воды и микробиология: Учебник. М.: Инфра-М, 2021.
3. Кропачева М.В. Высшие водные растения как один из факторов самоочищения водоема // Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. № 5–6, 2002. 
4. Остроумов C.А. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и приложения // Успехи современной биологии. 2004. Т. 124. № 5. С. 429–442. 
5. Тимофеева М.Е., Гапоненко А.В. Использование высших растений при очистке вод. Студенческий научный форум — 2014. Доступно по адресу: https://scienceforum.ru/2014/article/2014003333
6. Фильтраторы // Википедия.
7. Virginia Gewin. Algae biodiversity cleans streams. Nature, 2011.
8. Eutrophication // Wikipedia.
9. Фото на главной странице: рогоз. Источник: usadba-dzr.ru