Остроумов С. А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (дан). 2004. т. 396. № С. 136-141
|
Скачать 204.06 Kb.
|
|
УДК 574.635:574.632.017 О БИОТИЧЕСКОМ САМООЧИЩЕНИИ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ © С.А.Остроумов (опубликовано: Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141) Представлено академиком М.Е.Виноградовым 12.11.2003 Поступило в редакцию ДАН 17.11.2003 г. Ключевые слова: качество воды, самоочищение вод, биота, водные экосистемы, ремедиация, поллютанты, загрязнение, макрофиты, микроорганизмы, гидробионты, седиментация, сорбция, биогены, внеклеточные ферменты, фотохимические процессы, свободно-радикальные процессы, фильтрация воды, двустворчатые моллюски, коловратки, биоразнообразие, поверхностно-активные вещества (ПАВ), поддержание стабильности биосферы, экологическая ремедиация, морские, пресноводные объекты, ресурсы, экологическая безопасность, Mytilus galloprovincialis, Mytilus edulis, Crassostrea gigas, Unio pictorum, Brachionus angularis, Brachionus plicatilis, natural purification potential of ecosystems Цель статьи - в объединенном и систематизированном виде дать некоторые элементы теории полифункциональной роли биоты в самоочищении [1-3, 7, 13, 15] водных экосистем и их экологической ремедиации [11], используя анализ предыдущих работ [3-12] и опираясь на теорию функционирования водных экосистем [ 2 ]. 1. Основные процессы, ведущие к очищению воды в водных экосистемах. Для формирования качества воды, ее очищения в водных экосистемах важны многие физические, химические и биотические процессы [1-3, 7, 13, 15]. Дополнив ранее опубликованный нами перечень процессов, предлагаем вариант основных из них (табл. 1). Многие из этих физических и химических процессов регулируются биологическими факторами или в определенной мере подвержены их воздействию. Например, масштабы сорбции загрязняющих веществ оседающими частицами взвесей зависят от концентрации клеток фитопланктона; фотохимические процессы разрушения веществ протекают при условии прозрачности воды, а прозрачность обеспечивается фильтрационной активностью гидробионтов. Таким образом, биотические процессы находятся в центре всей системы самоочищения воды. 2. Основные функциональные блоки системы самоочищения водных экосистем. Выделим следующие основные функциональные блоки, в совокупности охватывающие значительную часть общего гидробиологического механизма самоочищения водных экосистем: 1) блок фильтрационной активности ("фильтры"); 2) блок механизмов переноса, перекачивания химических веществ из одного экологического компартмента в другой (из одной среды в другую); 3) блок расщепления молекул загрязняющих веществ. 2.1.Фильтры ( см. в [ 7, 14 ]). Фильтры включают в себя следующие функциональные фильтрующие системы: а) совокупность беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов; б) макрофиты, которые задерживают часть биогенов и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории; в) бентос, задерживающий и поглощающий часть биогенов и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода/ донные осадки; г) микроорганизмы, сорбированные на взвешенных частицах, перемещающихся относительно водной массы вследствие гравитационного оседания частиц под действием сил тяжести; в результате водная масса и микроорганизмы перемещаются относительно друг друга, что эквивалентно ситуации, когда вода профильтровывается через зернистый субстрат с прикрепленными микроорганизмами; последние извлекают из воды растворенные органические вещества (РОВ) и биогены [ 7 ]. 2. 2. Блок механизмов переноса, перекачивания химических веществ из одного экологического компартмента в другой (насосы). Блок состоит из нескольких функциональных систем, куда входят: а) функциональный насос, способствующий перемещению части поллютантов из водной тощи в осадки (седиментация, сорбция); б) функциональный насос, обеспечивающий перемещение части поллютантов из водной толщи в атмосферу – испарение; в) функциональный насос, определяющий перемещение части биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем – совокупность миграционных процессов в связи с вылетом имаго насекомых , у которых личиночная стадия, проведена в воде; (г) аналогичный функциональный насос, перемещающий часть биогенов из воды на территорию окружающих наземных экосистем – в связи с питанием птиц гидробионтами; рыбоядные птицы изымают биомассу из водной экосистемы, но гнездятся на территории, окружающей водоем или водоток. 2.3. Блок расщепления молекул загрязняющих веществ (мельницы). К функциональным системам расщепления загрязняющих веществ относятся: а) мельница внутриклеточных ферментативных процессов; б) мельница внеклеточных ферментов, находящихся в водной среде; в) мельница фотохимических процессов, сенсибилизированных веществами биологического происхождения; г) мельница свободно-радикальных процессов с участием лигандов биологического происхождения (Ю.И.Скурлатов – цит. по: [ 7 ]).
4. Участие основных крупных таксонов в процессах самоочищения водных экосистем. В самоочищении водных экосистем и формировании качества воды участвуют микроорганизмы, фитопланктон, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы [4, 6, 7, 9]. Важно, что каждая из этих групп организмов вовлечена более чем в один или два процесса (подробнее см. табл.1 в [4]). Эти группы равным образом важны для нормального протекания процессов самоочищения. 5. Надежность системы самоочищения воды. В технике надежность системы нередко обеспечивается благодаря дублированию многих компонентов системы. Аналогичный принцип выявляется при анализе функционирования водных экосистем. Например, фильтрационная активность гидробионтов продублирована следующим образом: ее осуществляют две большие группы организмов – планктон и бентос. Обе группы организмов фильтруют воду со значительной скоростью [1, 13 ]. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в пелагиали планктонных организмов благодаря тому, что личинки многих бентосных фильтраторов ведут планктонный образ жизни. В составе планктона имеются две большие группы многоклеточных беспозвоночных фильтраторов – ракообразные [13 ] и коловратки [7, 15], которые дублируют друг друга. Есть еще одна большая группа организмов с несколько иным типом питания (простейшие); эта группа организмов также фильтует воду наряду с фильтрационной активностью многоклеточных фильтраторов (ракообразных и коловраток). Фильтрация воды параллельно ведется и другими организмами (список их см. в табл. 3 в [ 9 ]). Процессы ферментативного разрушения поллютантов – еще один центральный компонент системы самоочищения воды - параллельно ведут бактерии и грибы. Функцию окисления растворенной органики одновременно осуществляют почти все гидробионты, в той или иной степени способные к поглощению и окислению растворенного органического вещества (хотя имеется специфика в активности конкретных групп организмов). Итак, надежность системы самоочищения воды в экосистеме осуществляется благодаря множественности процессов, слагающих эту систему и работающих в какой-то мере параллельно друг другу и подстраховывающие друг друга. Очищение воды и постоянное возобновление (репарация) ее качества, в свою очередь, являются важнейшим элементом самоподдержания стабильности всей водной экосистемы. Постоянно идущий процесс восстановления качества воды совершенно необходим для стабильности экосистемы, ибо он противостоит тому, что в воду постоянно поступают автохтонные и аллохтонные органические вещества; поступают также биогены с окружающей территории, с водой притоков и с выпадающими из воздуха осадками и частицами. Поэтому самоочищение воды -такая же важная функция и основа стабильности экологической системы, как репарация ДНК для систем наследственности, что дает основание рассматривать самоочищение воды как экологическую репарацию в водных экосистемах [ 11]. Еще один важный элемент надежности – саморегуляция биоты. 6. Регуляция процессов самоочищения. Практически все организмы, активно осуществляющие процессы, ведущие к самоочищению, находятся под двойным контролем организмов предыдущего и последующего трофического звена в пищевой цепи. Регулирующая роль организмов может эффективно исследоваться с помощью предложенного нами метода ингибиторного анализа регуляторных взаимодействий в трофических цепях – см.: [5, 14]. В механизмах регуляции экосистемы значительную роль играют различные формы сигнализации, в том числе химические вещества-носители информации. Было предложено называть такие вещества экологическими хеморегуляторами и экологическими хемомедиаторами [3]. Благодаря регуляции организмов-участников системы восстановления качества воды наблюдаемая скорость некоторых процессов самоочишения значительно ниже максимально возможной, на которую способны гидробионты. Например, наблюдаемая скорость фильтрации воды не настолько велика, чтобы до конца извлекать из воды частицы взвешенного органического вещества (ВОВ). Для многих фильтраторов показано снижение скорости фильтрации при нарастании концентрации частиц сестона [13 и др.]. 7. Отношение всей системы самоочищения к внешним воздействиям на экосистему. Система процессов самоочищения и формирования качества воды лабильна [ 4, 6, 7] и легко перестраивается при изменении внешних условий, что затрудняет выявление общих закономерностей ее функционирования. Наши экспериментальные работы показали существование важного элемента лабильности одного из конкретных процессов – фильтрации воды гидробионтами (моллюсками, коловратками) [ 4, 6, 7, 14 ]. Пример данных, которые демонстрируют лабильность процесса – наши опыты по воздействию тетрадецилтриметиламмоний бромида (ТДТМА) и синтетических моющих средств (СМС) на Mytilus edulis, M. galloprovincialis, коловраток Brachionus calyciflorus. Как показали наши опыты, эти процессы фильтрации ингибировались при воздействии сублетальных концентраций антропогенных поллютантов: поверхностно-активные веществ (ПАВ) и ПАВ-содержащих смесевых препаратов. В литературе есть указания на аналогичное действие и других поллютантов на моллюсков и фильтраторов зоопланктона [7 ]. Эти данные (табл. 2) (методика описана в [7] ) свидетельствуют об опасности снижения эффективности системы самоочищения (экологической ремедиации) воды в условиях антропогенных воздействий на водные экосистемы [7, 11, 14]. 8.Водная экосистема как аналог биореактора с функцией очищения воды. Особенности системы самоочищения воды вызывают аналогии с биореактором. Хотя эта аналогия представляется обоснованной и привлекательной, она освещает лишь одну из сторон сущности водных экосистем. Она имеет право на существование и до определенной степени полезна [4], но все же не может претендовать на всесторонний охват сущности водных экосистем в их многообразии и переменчивости. подчеркнем биокосный (т.е. интегрирующий воздействие и биотических, и абиотических факторов) характер регуляции многих важных процессов перемещения химических элементов в водных экосистемах. Констатация биокосного характера регуляции подчеркивает значимость обоих компонентов – биотического и абиотического. Для водных экосистем характерна значительная вариабельность практически всех основных параметров и практически отсутствие константных количественных характеристик. Это не позволяет проводить полную аналогию с техническим устройством. Итак, с определенными оговорками заключаем, что система процессов, ведущих к самоочищению водной экосистемы, подобна высокотехнологичному механизму и эту систему можно рассматривать как биореактор, выполняющему важные для экосистемы функции. Однако, эта аналогия освещает лишь одну из сторон сущности водной экосистемы. 9. Заключения для природоохранной практики. Согласно изложенной теории и данным нашей экспериментальной работы [ 4-11, 14 ]и других публикаций (например, [1, 13, 15 ]), следующие представления и рекомендации полезны для решения проблем охраны биоразнообразия и окружающей среды: 1. Необходимым элементом природоохранных программ должно быть сохранение самоочистительного потенциала водоемов и водотоков[10]. 2.Практически все виды гидробионтов участвуют в процессах, ведущих к формированию качества воды, самоочищению водных экосистем либо в регуляции этих процессов. Поэтому возникает еще один практически важный аргумент в поддержку того, что необходимо сохранять все биоразнообразие в водных экосистемах [ 9 ] . 3. Поскольку в процессах очищения воды активно участвуют организмы и наземных экосистем, пограничных с водоемами и водотоками, то для сохранения качества воды необходима охрана биоразнообразия и этих прибрежных наземных экосистем [10]. 4. Природоохранные цели и режим на территории и акватории охраняемых участков должны включать не просто сохранение генофонда и популяций организмов, но и сохранение уровня функциональной активности этих популяций (имеется в виду та функциональная активность популяций, которая вносит вклад в поддержание качества воды и тем самым в поддержание стабильности всей водной экосистемы) [ 10 ]. 5. Выявлены новые типы опасности химического загрязнения водных экосистем [11]. 6. При решении проблемы эвтрофирования водных экосистем необходимо учитывать наши предложения о синэкологическом подходе [8]. 7. Понятие антропогенного ущерба окружающей среде должно включать в себя, наряду с другими факторами, ущерб, вызванный антропогенным снижением самоочистительного потенциала водоемов и водотоков. Это вносит новый элемент в интерпретацию экологического законодательства – как международных законодательных и юридических документов, так и экологического законодательства Российской Федерации. 8. Теория дает новый подход к проведению более полной экономической оценки антропогенного ущерба, наносимого водным экосистемам и обитающим в них организмам на основе экономической оценки ущерба организмам, участвующим в самоочищении водных экосистем, см. [12]. 9. На основе вышеизложенной теории можно предсказать обнаружение новых случаев того, что загрязняющие вещества могут создавать опасность снижения способности водных экосистем к самоочищению. Анализ, проведенный нами, позволяет видеть совокупность гидробионтов как аппарат самоочищения экосистем, являющийся существенной частью того, что В.И.Вернадский называл "аппаратом биосферы". Положения данной статьи детализируют и развивают некоторые концепции В.И.Вернадского (о биокосных объектах, о биогенной миграции химических элементов, об аппарате биосферы). Автор благодарит А.Ф.Алимова, М.Е.Виноградова, В.Л.Касьянова, В.В.Малахова, Т.И.Моисеенко за обсуждение и замечания, J.Widdows, N.Walz, Г.Е.Шульмана и других сотрудников ИНБЮМ НАНУ за содействие в работе с фильтраторами. Работа поддержана фондом МакАртуров и Институтом открытого общества. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Таблица 1. Некоторые факторы и процессы, участвующие в самоочищении воды (по [6, 7 ] с существенными дополнениями). ( ЗВ – загрязняющие вещества; РОВ – растворенное органическое вещество; ВОВ-взвешенное органическое вещество).
Примечание. Многие факторы взаимосвязаны и накладываются друг на друга; выделение индивидуально действующих факторов во многих случаях невозможно и производится лишь для удобства концептуального анализа. Таблица 2. Вещества и их концентрации, которые ингибируют изъятие взвешенного вещества из воды организмами – фильтраторами.
Примечание: СМС - синтетическое моющее средство; ЖМС - жидкое моющее средство; ДСН – додецилсульфат натрия; ТДТМА - тетрадецилтриметиламмонийбромид Автореферат УДК 574.635:574.632.017 О БИОТИЧЕСКОМ САМООЧИЩЕНИИ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ С.А.Остроумов (опубликовано: Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // ДАН. 2004. т.396. № 1. С.136-141 ) Сформулированы обобщающие положения, которые в совокупности составляют элементы теории полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосистем. Эта теория включает в себя положения, характеризующие следующее: (1 ) источники энергии механизмов самоочищения водных экосистем; (2 ) основные функциональные блоки системы процессов самоочищения; (3 ) основные процессы cамоочищения водных экосистем; (4) степень вовлеченности в самоочищение основных крупных таксонов; (5 ) степень надежности системы и механизмы ее обеспечения; (6 ) саморегуляция биоты; (7) отношение всей системы к внешним воздействиям; (8) аналогия между экосистемой и биореактором; (9) выводы для природоохранной практики. Статья отмечена Дипломом Академии проблем водохозяйственных наук (2006). abstract: ON BIOTIC SELF-PURIFICATION OF AQUATIC ECOSYSTEMS. ELEMENTS OF THEORY S.A.Ostroumov On the biotic self-purification of aquatic ecosystems: elements of the theory. - Doklady Biological Sciences, 2004, Vol. 396, Numbers 1-6, pp. 206-211. [System of elements of the theory of biotic maintaining the natural purification potential of ecosystems]. DOI: 10.1023/B:DOBS.0000033278.12858.12. Abstract. In the paper, some elements of basics of the theory of polyfunctional role of biota in self-purification of aquatic ecosystems are formulated. The theory covers the following: (1) sources of energy for the mechanisms of self-purification; (2) the main functional blocks of the system of self-purification; (3 ) the list of the main processes that are involved; (4) analysis of the degree of participation of the main large taxons; (5 ) degree of reliability and the main mechanisms providing the reliability; (6 ) regulation of the processes; (7) the attitude of the system towards the external influences/impacts; (8) analogy between ecosystem and a bioreactor; (9)conclusions relevant to the practice of biodiversity conservation. Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141) Сформулированы обобщающие положения, которые в совокупности составляют элементы теории полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосистем. Эта теория включает в себя положения, характеризующие следующее: (1 ) источники энергии механизмов самоочищения водных экосистем; (2 ) основные функциональные блоки системы процессов самоочищения; (3 ) основные процессы cамоочищения водных экосистем; (4) степень вовлеченности в самоочищение основных крупных таксонов; (5 ) степень надежности системы и механизмы ее обеспечения; (6 ) саморегуляция биоты; (7) отношение всей системы к внешним воздействиям; (8) аналогия между экосистемой и биореактором; (9) выводы для природоохранной практики. ON BIOTIC SELF-PURIFICATION OF AQUATIC ECOSYSTEMS. ELEMENTS OF THEORY S.A.Ostroumov Abstract. In the paper, some elements of basics of the theory of polyfunctional role of biota in self-purification of aquatic ecosystems are formulated. The theory covers the following: (1) sources of energy for the mechanisms of self-purification; (2) the main functional blocks of the system of self-purification; (3 ) the list of the main processes that are involved; (4) analysis of the degree of participation of the main large taxa (taxons); (5 ) degree of reliability and the main mechanisms providing the reliability; (6 ) regulation of the processes; (7) the attitude of the system towards the external influences/impacts; (8) analogy between ecosystem and a bioreactor; (9)conclusions relevant to the practice of biodiversity conservation. Ключевые слова: качество воды, самоочищение вод, биота, водные экосистемы, ремедиация, поллютанты, загрязнение, макрофиты, микроорганизмы, гидробионты, седиментация, сорбция, биогены, внеклеточные ферменты, фотохимические процессы, свободно-радикальные процессы, фильтрация воды, двустворчатые моллюски, коловратки, биоразнообразие, поверхностно-активные вещества (ПАВ), поддержание стабильности биосферы, экологическая ремедиация, морские, пресноводные объекты, ресурсы, экологическая безопасность, Mytilus galloprovincialis, Mytilus edulis, Crassostrea gigas, Unio pictorum, Brachionus angularis, Brachionus plicatilis. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 |
С. А. Остроумов "Биотический механизм самоочищения пресных и морских... Рецензия на книгу: С. А. Остроумов "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод: элементы теории и приложения" (Москва,... |
|
Реферат: в монографии анализируются проблемы загрязнения воды тяжелыми... Института водных проблем ран. В книге дан материал по вышеупомянутым вопросам, обсуждается вопрос о комплексообразующей способности... |
|
Книга посвящена 250-летию Московского университета Подготовлена к изданию рукопись книги … ведущего научного сотрудника кафедры гидробиологии биологического факультета мгу, доктора... |
|
Решение задач 141-153 из учебника 99 Решение задач 154-165 из учебника... Издание разработано при поддержке Отдела теории алгоритмов и математических основ кодирования Вычислительного центра им. А. А. Дородницына... |
|
А. М. Князев, И. В. Одинцова режиссура и менеджмент технологий активно-игрового обучения Ю. Н. Казаков – доктор медицинских наук, профессор, академик Российской академии социальных наук |
|
Литература победитель обмана Российская академия наук научный совет по истории мировой культуры Комиссия по истории культуры Древней и Средневековой Руси Евразийское... |
|
Антикризисное управление В. А. Баринов — д-р экон наук, профессор кафедры государственного управления и менеджмента Российской экономической академии им.... |
|
Учебное пособие «Основы общей и медицинской психологии» составлено... Ступпицкий В. П., проф каф психологии Российской экономической Академии им. Г. В. Плеханова, академик раэп, член-корреспондент Международной... |
|
Любовь небесного цвета Кандидат исторических наук (1950), кандидат философских наук (1950), доктор философских наук (1960), профессор (1963), академик Российской... |
 |
Паломничество, как фактор влияния В современной отечественной психологической теории и практике все более актуальной становится тенденция к изучению феномена паломничества... |