Причины, последствия и решения экологической проблемы эвтрофикации

Эвтрофикация собой представляет одну из самых серьезных экологичных проблем открытых водных источников, например как озера, океаны и водохранилища. Она отличается уплотненным ростом водорослей и растений вследствие обогащения фосфором и азотом питательных веществ, нужных для фотосинтеза. Благодаря этому часто появляются обширные маты из плавающих растений. Примерами растений являются цветение водорослей, нильская капуста и водные гиацинты.

Экологические проблемы — пришло время разобраться

Питательные вещества поступают из отходов животноводства, удобрений и канализационных вод, которые попадают в пруды в результате дождя или системы капельного полива через поверхностный сток. Эвтрофикация также может происходить настоящим образом в течение тысяч лет по мере старения озер и наполнения их отложениями.

Человеческая деятельность возглавляет список, который ускоряет степень и скорость эвтрофикации за счёт точечных и неточечных источников сброса химических питательных веществ (фосфатов и нитратов) в водные системы.

Ниже приведены некоторые источники, типы, причины, результаты и решения проблемы эвтрофикации.

Источники эвтрофикации

1. Загрязнение из точечных источников

Загрязнение загрязняющими веществами, которые попадают в водоток из одного идентифицируемого источника, к примеру, из неподвижных мест или неподвижных объектов.

Варианты: Сбросы с сооружений очистки, промышленных предприятий и рыбоводческих ферм.

2. Загрязнение из неточечных источников

Загрязнение от широко распространеной, в том числе деятельности человека, не имеющей определенной идентифицируемой точки сброса или попадания в принимающие водотоки.

Варианты: Соединения азота, выщелачиваемые из удобренных сельскохозяйственных земель, и потери от осадков атмосферы.

Три главных источника поступления питательных веществ:

  1. Эрозия и выщелачивание с удобренных угодий в сельском хозяйстве.
  2. Канализационные воды из мегаполисов и промышленные канализационные воды.
  3. Атмосферное осаждение азота (от разведения животных и газообразных, жидких и твердых веществ).

Типы эвтрофикации

1. Природная эвтрофикация

Процесс накопления, поступления и добавки питательных веществ в пруды, который приводит к изменению первой продукции и видового состава сообщества, называется естественной эвтрофикацией. Она происходила на протяжении многих веков.

2. Культурная эвтрофикация

Процесс, который помогает сделать быстрее естественную эвтрофикацию, вызванную работой человека, называется культурной эвтрофикацией. Расчистка земель ускорила поверхностный сток, и больше питательных веществ, например как фосфаты и нитраты, поступает в озера и реки, а потом в прибрежные эстуарии и заливы.

Помимо того, дополнительные питательные вещества поступают с удобрениями, применяемыми на фермах, включая рыбные фермы, поля для гольфа, очистительные канализационные сооружения, а еще неочищенные канализационные воды.

Процесс обогащения воды питательными веществами может иметь и природное происхождение, т.е.e. природная эвтрофикация). Но как правило человеческая деятельность сильно делает больше его (антропогенная или культурная эвтрофикация).

Причины эвтрофикации

1. Удобрения (нитраты и фосфаты)

Эвтрофикация по большей части вызвана действиями человека из-за его зависимости от применения нитратных и фосфатных удобрений. Сельскохозяйственная практика и применение удобрений на газонах, полях для гольфа и остальных полях помогают накоплению фосфатных и нитратных питательных веществ.

Когда эти питательные вещества попадают с поверхностным стоком в озера, реки, океаны и прочие поверхностные воды во время дождя, голодный планктон, водоросли и прочие растения в воде получают хорошую пищу, и их активность фотосинтеза увеличивается. Это вызывает насыщенный рост цветения водорослей и растений, например как водяные гиацинты в водной обстановке.

2. Операции по концентрированному кормлению животных

Операции по концентрированному откорму животных (CAFO) также считаются главным источником фосфора и азота, ответственных за эвтрофикацию.

Операции по концентрированному откорму животных обычно сбрасывают приличное количество питательных веществ, которые попадают в реки, ручейки, озера и океаны, где они собираются в больших концентрациях, таким образом поражая пруды повторяющимся цветением цианобактерий и водорослей.

3. Прямой сброс канализационных вод и промышленных отходов в пруды

В определенных частях мира, тем более в развивающихся странах, канализационные воды напрямую сбрасываются в пруды, например реки, озера и океаны.

В результате в них попадает приличное количество химических питательных веществ, что стимулирует насыщенный рост цветения водорослей и остальных водных растений, что во многих отношениях угрожает выживанию водных организмов.

Почему происходит эвтрофикация водоемов?

Некоторые страны могут также чистить канализационные воды, но все равно сбрасывать их в пруды после очистки. Как бы ни была очищена вода, она все равно способно вызывать накопление избыточных питательных веществ, что по завершению приводит к эвтрофикации. Прямой сброс промышленных канализационных вод в пруды приводит к аналогичным последствиям.

4. Аквикультура

Аквикультура — это метод выращивания моллюсков, рыбы и даже водных растений (без почвы) в воде, содержащей растворенные питательные вещества. Будучи широко распространеной практикой в наше время, она также считается одним из самых главных факторов, помогающих эвтрофикации.

Если аквакультура не управляется соответствующим образом, то непоглощенные частицы пищи одновременно с выделениями рыбы могут намного увеличить уровень азота и фосфора в воде, что приводит к плотному росту микроскопических плавающих растений.

5. Натуральные явления

Натуральные явления, например наводнения и природное течение рек и ручьев, также могут вымывать излишек питательных веществ с суши в водные системы, вызывая таким образом чрезмерный рост цветения водорослей.

Помимо того, по мере старения озер в них настоящим образом собираются отложения, а еще фосфорные и азотные питательные вещества, которые помогают бурному росту фитопланктона и цветению цианобактерий.

Результаты эвтрофикации

1. Изобилие ненужных веществ

Эвтрофикация вызывает изобилие твёрдых частиц, например как фитопланктон, зоопланктон, бактерии, грибки и мусор, от них зависит мутность и покраска воды.

Увеличивается кол-во неорганических веществ химии, например как аммиак, нитриты, сероводород и др. которые провоцируют образование опасных веществ, например как нитрозамины, подозреваемые в мутагенности, на станциях очистки пригодной для питья воды.

2. Угрожает выживанию рыб и остальных водных организмов

Когда в водных экосистемах увеличивается кол-во питательных веществ, фитопланктон и прочие фотосинтезирующие растения бурно растут, что как правило называют цветением водорослей.

В результате цветение водорослей ограничивает кол-во растворенного кислорода, требуемого для дыхания остальных видов животных и растений в воде. Истощение кислорода происходит, когда водоросли умирают и разлагаются.

Когда растворенный кислород может достигать гипоксического уровня, животные и растительные виды под водой, например креветки, рыбы и иная водная биота, погибают от удушья. В крайних случаях анаэробные условия помогают росту бактерий, которые делают токсины, смертельно опасные для морских млекопитающих и птиц.

3. Ухудшение качества воды и ограниченный доступ к безопасной пресной воде

Цветение водорослей очень токсично, и как только вода может достигать анаэробных условий, стимулируется рост более ядовитых бактерий. Большое содержание органических веществ придаёт воде зловонный запах или вкус, которые едва маскируются хлорированием при применении в качестве пригодной для питья воды.

Эти вещества образовывают сложные химические соединения, которые не только препятствуют естественному процессу очистки, но и откладываются на стенках входных трубок водоочистителя, ускоряя коррозию и ограничивая скорость водного потока.

Следствием этого считается большое ухудшение качества воды и снижение доступности чистой пригодной для питья воды. Плотный рост цветения водорослей и фотосинтезирующих бактерий в поверхностных водах также может блокировать системы снабжения воды, ограничивая доступность водопроводной воды.

В этой связи, токсичное цветение водорослей стало причиной отключению многих систем водоподачи по всему миру. К примеру, в прошлом десятилетии более 2 миллионов горожан Уси, КНР, не имели возможности получить пресную воду из водопровода на протяжении семи дней из-за сильной атаки цветения водорослей на озере Тайху.

4. Отравление и действие на человеческое здоровье

Цианобактерии, также именуемые динофлагеллятами, которые вызывают красный приток, выделяют довольно сильные токсины с большим уровнем яда в воде даже при чересчур низких концентрациях. Анаэробные условия, создаваемые бурным ростом растений в воде, также приводят к удвоению ядовитых соединений.

Он также способно вызывать смерть у людей и животных даже при минимальной концентрации при попадании в пресную воду. Помимо того, цветение пресноводных водорослей может грозить здоровью домашнего скота. Ядовитые соединения могут также проникать в пищевую цепь, помогая самым разным плохим результатам для здоровья, таким как рак.

Биотоксины связаны с учащением случаев нейротоксического, паралитического и диарейного отравления моллюсками у людей, что может привести к летальному исходу.

Моллюски собирают яд в собственных мышцах и потом отравляют человека при употреблении. Большая концентрация азота в пресной воде связана со способностью подавлять кровообращение у младенцев, состояние, известное как синдром синего ребенка.

5. Опасность для рыболовства

Одной из главных характеристик эвтрофикации считается очень сильный рост очень мелких плавающих растений, например как водоросли и фотосинтезирующие бактерии, и развитие обширных и плотных матов плавающих растений, например как нильская капуста и водные гиацинты.

Постоянно, когда это происходит на водоеме, рыбная ловля оказывается под угрозой. Просто становится довольно проблематично устанавливать рыбацкие сети в воде, а плавающие на воде растения также ограничивают подвижность лодок и остальных рыбацких судов.

6. Деградация рекреационных возможностей

Главной проблемой эвтрофикации считается цветение водорослей и остальных водных растений, которые плавают на обширной площади поверхности воды. Это уменьшает прозрачность и навигацию в воде, что делает меньше рекреационную ценность и возможности озер, тем более для катания на лодках и плавания.

Нильская капуста, цветение водорослей и водный гиацинт могут распространяться на большой территории вдоль берегов, а порой могут плавать по всей поверхности на суше.

Профилактические решения проблемы эвтрофикации

1. Компостирование

Эвтрофикация по большей части появляется из-за применения нитратных и фосфатных удобрений. Для решения данной проблемы можно применять компостирование. Компостирование — это практика переработки органических веществ, например как остатки пищи и разлагающаяся растительность, в компостный навоз.

Питательные вещества, имеющиеся в компостном навозе, являются дефицитными из-за большой концентрации нитратов и фосфатов, которые питают водоросли и прочие микробы в прудах.

В компостном удобрении все обязательные элементы расщепляются и синтезируются растениями, таким образом не создавая цикл эвтрофикации. Данный метод борьбы с эвтрофикацией называется ограничением питательных веществ.

2. Снижение загрязнения

Как и компостирование, ограничение загрязнения считается простым и хорошим способом сокращения количества азота и фосфатов, попадающих в водные системы.

Большие производственные компании и муниципалитеты должны уменьшить уровень загрязнения и отказаться от сброса отходов в водные системы, чтобы сделать меньше кол-во токсинов и питательных веществ, попадающих в воду и питающих водоросли и прочие микроскопические организмы.

Если предприятия промышленности и муниципалитеты смогут уменьшить сброс отходов и уменьшить уровень загрязнения, то содержание питательных веществ в водных системах станет меньше, что потом даст возможность контролировать эвтрофикацию.

3. Укрепление законов и нормативных актов против неточечного загрязнения

Укрепление законов и нормативных актов против загрязнения из неточечных водных источников способен значительно контролировать эвтрофикацию. По данным EPA, неточечное загрязнение собой представляет наиболее большую проблему в управлении поступлением питательных веществ в водные системы. Поэтому контроль над источниками питательных веществ приводит к уменьшению эвтрофикации.

Минимизируя неточечное загрязнение, мы, в сущности, уменьшаем кол-во питательных веществ, поступающих в водные экосистемы. Законы должны быть направлены на укрепление больших качественных стандартов воды и нетерпимость к неточечному загрязнению. При поддержке разработчиков политики, граждан, органов регулирования загрязнения и правительства контролировать эвтрофикацию легко.

4. Ультразвуковое облучение

Мир регулярно ищет передовые методы решения некоторых экологичных проблем. Когда идет речь об эвтрофикации, применение ультразвукового облучения является одним из подобных механизмов, который был применен в качестве альтернативного решения для контроля и управления цветением водорослей.

Эвтрофикация: причины и последствия

Процесс работает, вызывая кавитацию, которая производит свободные радикалы, разрушающие клетки водорослей. Исследования все еще продолжаются, чтобы узнать уникальность его применения для борьбы с проблемой эвтрофикации.

Оздоровительные решения проблемы эвтрофикации

Там, где качество воды уже настолько испортилось, что любые профилактические инициативы неэффективны, могут быть использованы "оздоровительные" процедуры, например:

  • Удаление и очистка гиполимнетической воды, глубинной воды, находящейся в контакте с отложениями и богатейшей питательными веществами, потому что она находится в прямом контакте с источником выброса;
  • Водоотвод первых 10-20 см отложений, которые предрасположены биологическим реакциям и имеют большую концентрацию фосфора;
  • Изобилие воды кислородом для снижения плохих последствий эвтрофного процесса и восстановления экологического состояния, такого как отсутствие кислорода и образование ядовитых соединений в результате анаэробного метаболизма;
  • Химическое осаждение фосфора путем добавки в воду солей железа, алюминия или карбоната кальция, что приводит к выпадению в осадок ортофосфатов железа, алюминия или кальция, таким образом делая меньше плохие последствия, появляющиеся в результате чрезмерного присутствия фосфора в отложениях.

Ссылки:

NOAA, Nature