Биотические (биологические и биохимические) процессы самоочищения

Биотические процессы самоочищения могут быть рассмотрены как результат деятельности организмов природных биоценозов, обусловленной включением загрязнителя в пищевую цепь, его дальнейшим окислением, трансформацией или использованием в конструктивном обмене.

Так же как и абиотические, биотические процессы наиболее активно протекают в жидкой (водной) или твердой (почвенной) среде, их можно подразделить на два вида:

• • биохимические процессы, преимущественно протекающие под действием бактерий и других микроорганизмов и включающие различные химические процессы, такие как разложение (гидролиз) организмами усвояемых высокомолекулярных органических и ассимилированных неорганических соединений, окисление и восстановление;
• • биологические процессы — удаление коллоидов и мелких взвешенных веществ зоопланктоном, фильтрация и седиментация примесей гидробионтами.

На биологическое самоочищение влияет множество факторов:

• • природа загрязнителя и его концентрация;
• • присутствие в биоценозе устойчивых к загрязнителю организмов;
• • почвенно-климатические условия (тип почвы, температура, влажность и др.) или геометрические характеристики биотопа;
• • уровень инсоляции;
• • скорость и наличие турбулентных течений;
• • химический состав почвы или воды и др.

Наибольшая роль в процессах самоочищения принадлежит редуцентам (гетеротрофные микроорганизмы) и вторичным консументам (зоопланктон, мезопланктон, моллюски, ракообразные, рыбы). Фотоавтотрофные продуценты (растения, водоросли, фитопланктон) также способны удалять загрязняющие вещества.

Микроорганизмы наиболее чувствительны к изменениям окружающей среды. Повышение уровня радиации или концентрации опасных химических веществ и соединений, например, в отходах, загрязняющих окружающую среду, может привести к мутациям, т. е. необратимым изменениям в первичной структуре ДНК клеток микроорганизмов. Мутации, одновременно происходящие во всем сообществе микроорганизмов (микробиоценозе), могут оказывать негативное воздействие как на компоненты окружающей среды, так и на организм человека.

Обычно микробиоценоз составляют группы микроорганизмов, выполняющие следующие функции:

• • микроорганизмы-деструкторы, разлагающие исходное органическое вещество на нерастворимые крупномолекулярные составляющие;
• • гидролитические микроорганизмы, превращающие нерастворимые крупномолекулярные соединения в растворимые низкомолекулярные и использующие их для питания;
• • рассеивающие микроорганизмы, дополнительно поглощающие часть образовавшихся низкомолекулярных соединений.

Микробиоценозы почвы. Как известно, именно микробиоценоз почвы, благодаря своему разнообразию и многообразию выполняемых функций, оказывает решающее влияние на всю биосферу. Почвенные микроорганизмы участвуют в минерализации остатков органических веществ, что обеспечивает их включение в глобальный круговорот элементов.

Почва представляет собой комплексную динамическую систему со своей внутренней атмосферой, водным режимом, химическим составом, собственной флорой и фауной. Состав и функции почвы могут изменяться в зависимости от влияния целого комплекса факторов (см. подпараграф 2.4.1). Наиболее благоприятные для выживания микроорганизмов условия наблюдаются на глубине 10—20 см. В поверхностном слое глубиной до 2 мм из-за прямого воздействия солнечной радиации и низкой влажности и на глубине более 5 м их число незначительно. Качественный состав почвенной микрофлоры и мезофауны весьма разнообразен. Микрофлора представлена растительными микроорганизмами — водорослями, плесневыми грибами, бактериями. Мезофауна включает разнообразные животные организмы — инфузорий, жгутиковых, червей, моллюсков, членистоногих.

По количеству и разнообразию бактерии значительно превосходят другие группы микроорганизмов (в 1 г плодородной почвы десятки миллионов бактерий, а общая биомасса превышает 1000 кг/га)^[1]. Бактерии обеспечивают биохимические процессы фиксации азота, превращений фосфора, серы, железа и других элементов, определяющих биологическую активность и плодородие почвы.

Микробиоценоз почвы может оказывать положительное, нейтральное или негативное воздействие на функционирование почвы и ее плодородие, при этом выделяются следующие физиологические группы микроорганизмов:

• • гнилостные микроорганизмы (обеспечивают гниение любых органических остатков и разложение мочевины);
• • нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой кислоты с образованием нитритов и затем окисляющие их до нитратов;
• • азотфиксирующие бактерии (почвенные микроорганизмы планеты обеспечивают поступление в почву из атмосферы до 100 млн т азота в год);
• • комплекс бактерий, обеспечивающих метановое сбраживание;
• • бактерии, участвующие в круговороте серы, фосфора и других элементов.

Микробиоценозы водоемов. Водные микробиоценозы так же, как и микробиоценозы почвы, отличаются большим разнообразием, при этом видовой состав микрофлоры воды схож с микрофлорой почвы, включая простейшие, грибы, водоросли и бактерии. Кроме того, в воде обитают различные виды вибрионов, спириллы, железои серобактерии, светящиеся бактерии и др. Заселенность водоема микроорганизмами напрямую зависит от загрязнения органическими соединениями. Так же как и в почве, в воде происходят процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации и брожения.

Распределение микроорганизмов в толще воды зависит в первую очередь от количества солнечной энергии, тепла и концентрации растворенного кислорода, а кроме того — от количества питательных веществ, необходимых для их жизнедеятельности. В верхнем, хорошо освещаемом теплом слое достаточно питательных веществ, попадающих в воду с дождевыми стоками, поэтому и концентрация микроорганизмов здесь значительно выше. Здесь же происходит синтез органических веществ водорослями и цианобактериями.

Деятельность цианобактерий приводит к снижению качества воды, так как в процессе их жизнедеятельности вырабатываются белковые вещества — токсины. При быстром размножении сине-зеленых водорослей снижается концентрация кислорода в воде, начинается ускоренное размножение анаэробных возбудителей гнилостных и бродильных процессов, что также отрицательно сказывается на качестве воды. Такие зоны повышенного загрязнения, содержащие значительные количества органических веществ и обедненные кислородом, называются полисапробными; зоны умеренного загрязнения, в которых происходят процессы минерализации органических веществ, — мезосапробными; зоны чистой воды с низким содержанием органических веществ и закончившимися процессами минерализации — олигосапродпыми.

В нижних, более холодных и обедненных кислородом и солнечной энергией слоях накапливаются экзогенные органические остатки и вещества, происходит их разложение и брожение с выделением метана, водорода, оксида углерода и ацетатов, сероводорода. На поверхности ила размножаются микробы, образуя топкую пленку. В свою очередь, эти вещества являются питательным субстратом для денитрифицирующих бактерий, что приводит к образованию и накоплению нитритов.

Главную роль в самоочищении водоемов играют сапрофиты. Кроме того, процессы самоочищения определяются такими факторами, как разбавление, обеззараживание под действием солнечного УФ-излучения, механическое осаждение, ингибирование деятельности микробов продуктами жизнедеятельности водорослей, грибов и других микроорганизмов, а также конкуренция между отдельными микробными группами, уничтожение микробов простейшими и другими организмами.

Микрофлора воздушной среды. Фактором, способствующим микробиологическому загрязнению атмосферного воздуха, является присутствие в воздухе аэрозолей — пыли и частиц влаги, на которых размножаются микроорганизмы. Количественный и качественный состав микрофлоры воздушной среды разнообразен и определяется концентрацией твердых взвешенных частиц (ТВЧ), влажностью, температурой, инсоляцией, интенсивностью воздушных инверсий и др., при этом в каждом конкретном регионе присутствуют определенные виды микроорганизмов — палочки, кокки, спорообразующие бациллы, грибы, попадающие в воздух из почвы.

Помимо климатических, факторы, способствующие самоочищению атмосферного воздуха, — это наличие зеленых насаждений и увеличение высоты. При этом растения играют роль не только механических фильтров, задерживая частицы пыли листьями, но и являются природными ионизаторами, а также выделяют фитонциды. С увеличением высоты снижается количество твердых взвешенных частиц в воздухе и возрастает инсоляция, что также тормозит размножение бактерий.

• [1] Кузнецов Л. Е., Градова Н. Б. Указ. соч.