Прибрежно-водная растительность и самоочищение водоемов

Основными источниками загрязнения водоемов являются хозяйственно-бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки. Хозяйственно-бытовые и сельскохозяйственные стоки содержат большое количество всевозможных органических веществ, детергентов, пестицидов, минеральных удобрений и продуктов их распада, тогда как промышленные имеют огромный набор разнообразных химических соединений, причем большинство их токсичны.

Загрязненность многих водоемов РФ превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) в среднем по нефтепродуктам на 47 — 63%, фенолам на 45 — 68%, легкоокисляемым органическим веществом (БПК₅) на 20—23%, аммиачному азоту на 24% и т. д. (Н. В. Морозов, 1977, 2001).

Загрязнения водоемов подразделяют на аллохтонное — вносимое извне и автохтонное — собственное загрязнение. Автохтонное загрязнение происходит в результате жизнедеятельности водных организмов, в том числе и прибрежно-водной растительности. После отмирания в среду поступают их метаболиты, биогенные вещества и продукты распада. Аллохтонные загрязнения — это все то, что приносят в водоемы сточные воды, поверхностные стоки, дождевые и воздушные массы.

Особой формой загрязнения является эвтрофирование водоемов, т. е. обогащение их биогенными веществами, приводящее к интенсивному развитию водорослей и прибрежных растений. Это чаще всего происходит за счет поступления в водоемы бытовых и сельскохозяйственных стоков. Способность водной растительности к накоплению и использованию этих веществ (прежде всего фосфора и азота) делает их активными участниками процесса самоочищения природных вод.

Загрязнение водоемов изменяет структуру сообществ, их видовой и количественный состав. Интенсивные загрязнения сельскохозяйственными и бытовыми стоками приводят к зарастанию и заболачиванию водоемов, а промышленными — к нарушению и полной деградации биоценозов.

Водоемы обладают уникальным свойством — способностью к самоочищению. Под самоочищением понимается комплекс воздействия химических, физических и биологических факторов на экосистему водоема, в результате деятельности которых качество воды возвращается к первоначальному (или близкому к нему) состоянию. Разумеется, это наблюдается при небольшой степени загрязнения водоемов.

К физическим факторам относятся такие процессы, как седиментация взвешенных веществ, ветровые перемешивания, течения, колебания температур и др. Химические процессы самоочищения — это окисление и распад органических веществ в водоеме, что приводит к появлению в среде относительно простых соединений — аммиака, углекислоты, нитратов, сульфатов, фосфатов, метана. Последние в дальнейшем утилизируются различными гидробионтами. Биологическое самоочищение водоемов осуществляется за счет жизнедеятельности растений, животных, грибов, бактерий и тесно связано с физико-химическими процессами.

Самоочищение водоемов осуществляется в анаэробных и аэробных условиях. Анаэробно протекают процессы разрушения органических веществ с преимущественным участием бактерий, грибов и простейших. В этом случае в процессе распада органического материала в среде накапливаются промежуточные продукты (аммиак, сероводород, низкомолекулярные жирные кислоты и др.), которые при наличии кислорода окисляются далее.

В аэробных условиях разрушение органического субстрата осуществляется в присутствии кислорода до простых соединений, которые в дальнейшем вовлекаются в биотический круговорот. В этом процессе принимают участие практически все население водоемов. Большую роль в процессах самоочищения загрязненных вод играют прибрежно-водные растения (М. А. Кудряшов и др., 1984).

Прибрежно-водная растительность, выделяя при фотосинтезе кислород, благотворно влияет на кислородный режим прибрежной зоны водоема. Обитающие на поверхности растений бактерии и водоросли (перифитон) выполняют активную роль в очистке воды. В зарослях прибрежно-водных растений развивается фитофильная фауна, которая также принимает участие в самоочищении воды и донных отложений; организмы бентоса утилизируют органическое вещество илов и обитающих там. бактерий. Под влиянием всех этих процессов в воде повышается содержание растворенного кислорода, возрастают ее прозрачность и содержание биогенных веществ, снижаются минерализация воды и количество промежуточных продуктов распада органического вещества (С. И. Кузнецов, 1970).

В последние годы макрофиты стали успешно использоваться в практике очистки вод от биогенных элементов, фенолов, ароматических углеводородов, микроэлементов, нефти и нефтепродуктов, тяжелых металлов, различных минеральных солей из сточных и природных вод, в обеззараживании животноводческих стоков от разных форм патогенных микроорганизмов.

Роль прибрежно-водных растений в самоочищении водоемов в общем виде можно свести к следующему:

• 1) механическая очистительная функция, когда в зарослях растений задерживаются взвешенные и слаборастворимые органические вещества;
• 2) минерализация и окислительная функция;
• 3) детоксикация органических загрязнителей.

Механическая очистительная функция. Вместе с поверхностными стоками в водоемы поступает большое количество взвешенных и слаборастворимых органических и минеральных веществ. Прибрежно-водная растительность вместе с животнымифильтраторами (моллюсками, зоопланктоном) выполняет роль механического фильтра. Роль животных-фильтраторов в этом процессе достаточно велика. Так, в Волгоградском водохранилище двухстворчатые моллюски (при численности порядка 650 экземпляров на 1 м²) за вегетационный период отфильтровывают около 840 млрд м³ воды. При этом они извлекают из толщи воды 96 млн т взвешенных веществ, из которых 1/3 осаждаются на дне (Г. П. Кондратьева, 1970). Интенсивность фильтрации воды ракообразными такова, что они способны профильтровать весь объем воды всего за несколько суток (Б.Л.Гутельмахер, А. П. Садчйков, Т. Г. Филиппова, 1988).

Эффективность действия фильтрующего барьера определяется густотой фитоценоза (т.е. количеством побегов на единицу площади), наличием у растений водных корней и степени их развития, формой и величиной листьев и общей поверхностью растений. Это приводит к уменьшению скорости течения в зоне зарослей и оседанию взвешенных частиц.

Оседанию взвеси способствует слизь на поверхности растений. Исследования показали, что чем больше поверхность растений и их ослизненность, тем эффективнее осуществляется очистка воды от взвешенных частиц. Растения способны утилизировать и включать в свой метаболизм некоторое количество осевших на их поверхности органических и минеральных взвесей, в том числе и токсических соединений. Часть их инактивируется в растительных тканях и аккумулируется в надводных и подземных органах растений. Некоторые соединения, такие, как фенолы, ароматические углеводороды, выделяются в атмосферу через устьица. Стебли и листья растений образуют огромную поверхность для развития перифитона, который выполняет активную роль в очистке воды.

Большое значение имеет наличие у некоторых растений водных корней. У тростника, к примеру, они образуются под водой в узлах побегов. Общая поверхность этих корней в зависимости от числа побегов может в 10—15 раз превышать площадь, занимаемую растениями. Роль водных корней в очистке воды от растворенных и взвешенных частиц чрезвычайно велика. Так, в лабораторных экспериментах заросли тростника и рогоза задерживали водными корнями до 90% взвешенных веществ, содержащихся в животноводческих стоках (П. Г. Кроткевич, 1982). Эти исследования свидетельствуют о больших возможностях использования прибрежно-водной растительности для защиты водоемов от взвешенного материала, содержащегося в сточных водах.

На растениях хорошо задерживаются не только взвешенные частицы, но и органические эмульсии, жировые и нефтяные пленки. Они вместе с минеральными частицами и органическими суспензиями образуют более крупные агрегаты, которые в дальнейшем разрушаются уже донными организмами. К примеру, разложение нефти в присутствии растений протекает в 3 — 5 раз интенсивнее, чем без них (Н. В. Морозов, 2001).

В летнее время при снижении уровня воды в реках и водохранилищах часть прибрежной растительности оказывается на суше. Поверхностные стоки, попав в такие заросли макрофитов, частично задерживаются ими, частично просачиваются в почву и продвигаются дальше к реке подземным стоком. При этом практически все взвешенные и многие растворенные загрязняющие вещества задерживаются почвой и корнями прибрежных растений. Корнями растений в первую очередь поглощаются органические вещества и биогенные соединения (азот, фосфор, калий и др.) (М.А. Кудряшов, К. А. Воскресенский, 1979; М. A. Kudrjashov, К. A. Voskresensky, 1975).

В зарослях происходит и переработка осевшей на растениях взвеси. Органические и минеральные компоненты используются в процессе метаболизма самих растений и их обрастателей.

Под влиянием фитофильтрации увеличивается прозрачность воды, снижается ее минерализация. Основная роль в этом процессе принадлежит прибрежным (тростнику, рогозу, камышу, маннику и др.) и погруженным растениям (рдестам, элодее, роголистнику, урути и др.).

Высшая водная растительность благоприятно влияет на кислородный режим водоема. В фотосинтетической аэрации водоемов макрофиты играют не меньшую роль, чем фитопланктон. Содержание кислорода в воде под влиянием растений, особенно погруженных, увеличивается, в результате чего органические вещества быстро окисляются, ускоряется процесс нитрификации, усиливается потребление фотосинтетиками свободной углекислоты.

Минерализация сложных органических соединений происходит в присутствии кислорода. При сильном загрязнении запасы растворенного кислорода быстро расходуются, и самоочищение воды замедляется. Прибрежно-водные растения, поддерживая кислородный режим водоема, ускоряют процесс самоочищения. Некоторые исследователи считают, что чем богаче водоем растениями, тем выше его минерализующая способность. Это происходит не только за счет выделенного растениями кислорода, но и за счет того, что макрофиты своим присутствием создают благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий, перифитона, обитателей толщи и дна водоема.

Крупные макрофиты (такие, как тростник, рогоз, рдесты, роголистник и др.) затеняют поверхность воды, поглощают биогенные и другие минеральные соединения. Они становятся мощными антагонистами синезеленых и иных водорослей, подавляют их развитие и этим устраняют вредное для гидробионтов «цветение» водоемов.

В процессе метаболизма высшие водные растения выделяют в среду физиологически активные вещества типа фитонцидов и антибиотиков. Это приводит к снижению численности патогенной микрофлоры. Показано, что в зарослях макрофитов колититр бывает значительно ниже, чем в открытых участках водоема. Кроме того, растения выделяют в среду различные метаболиты, органические кислоты, полифенолы, благоприятно влияющие на жизнедеятельность гетеротрофных бактерий и других организмов. Стебли растений представляют собой огромную поверхность для развития различных микроорганизмов, которые выполняют активную роль в деструкции органического вещества и очистке воды.

Учитывая положительное влияние растений на минерализацию органического вещества в водоемах, некоторые исследователи предлагают культивировать их в целях повышения очистительной способности водоемов различного назначения, борьбы с «цветением» вод и размывом берегов (А. И. Мережко, 1973; П. Г. Кроткевич, 1976, 1982; Н. В. Морозов, 2001).

Каким же требованиям должны удовлетворять прибрежно-водные растения? Они должны быть максимально устойчивы к сильно загрязненным стокам, иметь мощную корневую систему, способную поглощать и перерабатывать многие загрязнения, хорошо расти в загрязненных водоемах, образовывать высокорослые и густые заросли, продуцировать большую биомассу, способную аккумулировать минеральные и токсичные вещества, легко возобновляться при скашивании.

В первую группу, удовлетворяющую перечисленным требованиям, входят прибрежные растения — тростник, рогоз, камыш, ирис, аир, манник, ежеголовник и др. Вторую группу представляют растения, плавающие на поверхности воды: ряски, кубышка, кувшинки, сальвиния, водокрас и др. Они используются для доочистки стоков, прошедших полную биологическую очистку. Определенный интерес представляют ряски, хорошо растущие на разбавленных животноводческих стоках. Третья группа — это полностью погруженные растения. Их роль сводится к механическому задерживанию взвесей и поглощению из воды минеральных и органических веществ. Наиболее типичные виды — рдесты, уруть, роголистник, элодея. Они образуют густые заросли на глубине 2 — 3 м. Исследования показали, что скорость поглощения фосфора погруженными растениями в 2—10 раз выше, чем полупогруженными (такими, как стрелолист, манник, рогоз и др.) (Н. Г. Дмитриева, Л. О. Эйнор, 1987).

Многие специалисты считают основным фактором формирования и регулирования качества воды природных водоемов прибрежно-водную растительность, поскольку растения в больших количествах поглощают не только биогенные, балластные, но и токсичные вещества минерального и органического происхождения. К тому же воздушно-водные растения способны расти и развиваться при недостатке и даже при полном отсутствии кислорода в илах благодаря аэренхимному строению корней и других органов. Кроме того, водная растительность, прежде всего высокорослая, оказывает механическое и физико-химическое воздействие на водную среду, в которой она развивается.

Аккумуляция растениями химических элементов. Растения способны извлекать из воды многие жизненно важные для них элементы и органические соединения и этим снижать степень эвтрофирования водоемов. Так, полупогруженные тростник, рогоз, камыш, ежеголовник, аир в больших количествах извлекают из воды азот, фосфор, кальций, калий, серу, железо, кремний. Для азота и фосфора обнаружена четкая корреляция между их содержанием в воде и в растениях. Растения накапливают в сотни и тысячи раз больше биогенных веществ по сравнению с их содержанием в окружающей среде.

К примеру, по данным П. Г. Кроткевича (1970), 1 га густых зарослей тростника может аккумулировать в своей биомассе до 6 т различных минеральных веществ, в том числе калия — 860 кг, азота — 170 кг, фосфора — 120 кг, натрия — 450 кг, серы — 280 кг, кремния — 3700 кг. Кремний придает прочность стеблю и другим тканям тростника. По другим данным, тот же тростник при урожае 44 т/га (сухого вещества) аккумулирует в своей массе до 670 кг азота, 280 кг фосфора, 420 кг калия, 200 кг кальция, 400 кг хлора и многие другие вещества. Погруженные растения на 1 кг сухой массы аккумулируют в среднем 50 г азота, 3 г фосфора и 45 г калия (Г.С.Гигевич и др., 2000).

Скорость потребления биогенных веществ достаточно высока. Так, болотник и камыш уже через 6 ч потребляли до 60% внесенного в среду фосфора. Тростник обыкновенный, рогоз узколистный и рогоз широколистный с такой же скоростью потребляют нитратный и аммонийный азот, которыми в значительных количествах загрязнены хозяйственно-бытовые и сельскохозяйственные сточные воды. При этом развитие растений происходит лучше при нитратной форме азота: биомасса их в этом случае в 7 раз выше по сравнению с контролем.

В дневное время фосфор поглощается в два раза интенсивнее, чем ночью, что указывает на участие этого элемента в фотосинтетических процессах (Н. Г. Дмитриева, Л. О. Эйнор, 1987).

Биогенные вещества прежде всего накапливаются в листьях и генеративных органах. Наиболее высока их концентрация в побегах ранней весной (за счет перемещения из корневой системы). По мере роста биомассы концентрация постепенно снижается, а к концу вегетации (начиная с августа) происходит отток элементов минерального питания в подземные запасающие органы растений. К концу вегетационного сезона содержание азота в корневой системе тростника возрастает в 3 — 4 раза. Однако значительная часть элементов все же остается в отмерших остатках растений и при их разложении снова возвращается в водоем, загрязняя его вторично. Поэтому для поддержания водоема в «здоровом» состоянии требуется систематическое выкашивание водных растений.

Концентрация многих химических элементов в тканях растений напрямую зависит от их содержания в грунтах и воде. Консервация биогенных элементов в подземных органах имеет немаловажное значение для формирования качества воды (П.Г. Кроткевич, 1976).

Растения с развитой корневой системой большей частью черпают запасы биогенов из донных отложений, так как грунты всегда имеют значительно большую концентрацию питательных веществ, чем вода. Однако содержание биогенных веществ даже в донных отложениях в несколько раз ниже их содержания в органах растений. В целом погруженные растения являются резервуаром-накопителем биогенных веществ, изымая их из воды на длительный срок.

Эксперименты с полупогруженными растениями показали, что в поглощении биогенных и иных элементов существенную роль играет корневая система. Растения с обрезанными корнями теряют способность к потреблению биогенов (в частности, фосфора), тогда как при удалении надводных частей скорость потребления фосфора не изменяется (Н. Г. Дмитриева, Л. О. Эйнор, 1987). В лабораторных экспериментах (П.Г. Кроткевич, 1976) корневая система ириса ложноаирного, камыша озерного и рогоза узколистного после суточной экспозиции задерживает более 90% взвешенных веществ, содержащихся в животноводческих стоках. Слой песка, через который осуществлялась фильтрация, составлял всего 15 см. Эти результаты свидетельствуют о больших возможностях использования фильтрационного метода для защиты водоемов от поступающих в них с поверхностными стоками загрязняющих и токсичных веществ.

Промышленные стоки содержат «букет» самых разнообразных соединений, многие из которых токсичны для животных и растений. Ряд микроэлементов, присутствующих в водоемах в малых концентрациях, играют положительную роль в жизни растений (влияют на их рост, дыхание, обмен, питание, размножение и др.). При увеличении концентрации этих веществ они становятся токсичными практически для всех гидробионтов.

Прибрежно-водные растения извлекают из воды и грунта не только необходимые им биогенные элементы, но и соединения тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества и многое другое. Поглощение растениями минеральных веществ характеризуется видовой специфичностью и может достигать довольно существенных величин. Так, в некоторых водохранилищах содержание цинка в растениях составляло (максимальные значения, выражены в мг/кг сырого веса): камыш озерный — 10, рогоз узколистный — 19, тростник обыкновенный —10, рдест блестящий — 22, рдест гребенчатый — 20, ряски — 192, нитчатые водоросли — 108, фитопланктон — 144 (Н.И. Варенко, 1977). По другим данным, содержание марганца в различных видах макрофитов составляло в среднем 485 мг на 1 кг воздушно-сухой массы с колебаниями от 66 до 2900 мг. Повышенной способностью накапливать марганец обладают водяной орех, рдест красноватый. Полностью погруженные растения содержат в 2 — 3 раза больше марганца, чем земноводные и надводные. Ряска малая особенно много накапливает бор, а харовые водоросли — медь (К. А. Кокин, 1982).

Способность высших водных растений накапливать вещества в концентрациях, превышающих фоновые значения, позволила использовать их в системе мониторинга и контроля за состоянием окружающей среды (Г. С. Гигевич, Б. П. Власов, 2000). Высокая поглотительная способность водных растений делает их идеальными тестовыми объектами для определения антропогенных химических нагрузок на водоем. Для индикации антропогенной нагрузки специалисты предлагают использовать плавающие на поверхности воды и погруженные гидрофиты: ряску, водокрас, кубышку, рдесты, элодею, роголистник и др.

В целом можно утверждать, что растения накапливают в тканях тем больше химических элементов, чем больше их содержится в воде в доступном для растений виде. Кроме того, высшим водным растениям свойственна избирательность в накоплении не только макро-, но и микроэлементов, в том числе и тяжелых металлов. Ниже приводятся результаты исследований, приведенные в работе Г. С. Гигевича, Б. П. Власова, Г. В. Вынаева (2001). В ней представлены литературные сведения и собственные исследования авторов по содержанию металлов в тканях водных растений некоторых водоемов Белоруссии.

Так, содержание никеля в водных растениях колеблется от следовых количеств до 41 мг/кг сухого веса (максимальное значение отмечено у частухи подорожниковой), что в 135 раз превышает среднее фоновое содержание никеля в гидрофитах.

Среднее фоновое содержание меди в гидрофитах относительно чистых водоемов составляет 3,5 мг/кг сухого веса. В загрязненных водоемах содержание меди в водных растениях намного превышает фоновые величины, причем максимальные концентрации зафиксированы у воздушно-водных растений (например, 136 мг/кг у сусака зонтичного).

Высокое содержание свинца обнаружено у разных видов гидрофитов загрязненных водоемов. При средней фоновой величине содержания свинца в гидрофитах 2,4 мг/кг (в относительно чистых водоемах) максимальные значения отмечаются у воздушноводных растений, в частности у тростника — 833 мг/кг сухого веса. Вблизи промышленных городов содержание свинца в растениях составляет 6 — 56 мг/кг сухого веса, что в 3 — 20 раз превышает фоновые величины.

Содержание цинка в гидрофитах в среднем составляет 1,4 мг/кг сухого веса, а максимальное наблюдается у элодеи канадской и штукении гребенчатой (178 и 108 мг/кг сухого веса), что в 125 раз выше среднего значения содержания этого элемента по водоемам Белоруссии.

Самое высокое содержание титана отмечено у харовых водорослей (до 130 мг/кг сухого веса), элодеи канадской и урути мутовчатой (около 100 мг/кг сухого веса) при среднем фоновом содержании титана в гидрофитах 8 мг/кг сухого веса.

Содержание хрома у водных растений в среднем составляет 0,3 мг/кг сухого веса, однако у гидрофитов (элодея, рдесты, роголистник, уруть), произрастающих вблизи промышленных городов, зафиксированы высокие концентрации хрома, в 125 раз превышающие средние фоновые значения.

Максимальное содержание ванадия (около 19 мг/кг) наблюдается у погруженных растений (харовые водоросли, элодея, штукения гребенчатая, роголистник, уруть), тогда как среднее фоновое значение составляет 3,6 мг/кг сухого веса. Высокие концентрации ванадия отмечаются у растений, как загрязненных, так и относительно чистых водоемов.

Концентрация марганца колеблется в водных растениях в широких пределах: от следовых до 3180 мг/кг сухого веса (харовые водоросли). Марганец — второй после ванадия элемент, имеющий в водных растениях, например в Белоруссии, величины, превышающие не только естественные фоновые, но и критические (более 500 мг/кг сухого веса растения). Больше всего марганца накапливают погруженные гидрофиты, причем как в загрязненных, так и в относительно чистых водоемах.

Наибольшая аккумулирующая способность техногенных элементов отмечена у погруженных растений (Г. С. Гигевич, Б. П. Власов, Г. В. Вынаев, 2001). На первом месте по интенсивности накопления стоят харовые водоросли, затем идут элодея, роголистник, рдесты, уруть. Погруженные растения накапливают тяжелые металлы в 10 раз интенсивнее прибрежно-водных. Некоторые растения аккумулируют эти соединения избирательно. Так, ряска накапливает достаточно много бора, харовые водоросли — медь, тростник — ртуть. Интенсивность поглощения токсичных соединений зависит от времени года и развития растений; наибольшее содержание элементов наблюдается в период их интенсивного роста, а наименьшее — осенью.

В относительно чистых водоемах содержание тяжелых металлов (хром, никель, титан, цинк, медь, свинец) в гидрофитах находится на уровне фоновых величин или незначительно их превышает. Вблизи крупных промышленных городов эти показатели намного превышают естественные фоновые значения. Что же касается накопления водными растениями марганца и ванадия, фоновые показатели заметно выше уровня их естественного содержания, приводимые в литературных источниках. В некоторых случаях концентрация марганца и ванадия намного превышает уровень токсичности для большинства макрофитов (Г. С. Гигевич, Б. П. Власов, Г. В. Вынаев, 2001).

В то же время прибрежно-водные растения обладают достаточно высокой устойчивостью к солям тяжелых металлов. Так, тростник обыкновенный может существовать без видимого для себя вреда при концентрациях от 100 до 300 мг/л меди сернокислой, ртути азотнокислой, кобальта хлористого, железа сернокислого, хрома азотнокислого, цинка сернокислого. Свинцовые соединения токсичны для животных и человека при концентрации 0,3 — 0,5 мг/л. В экспериментах с тростником азотнокислый свинец вносили в концентрации от 6 до 600 мг/л при одноразовой дозе. За семь приемов в аквариум было внесено 2000 мг/л азотнокислого свинца, но, несмотря на увеличивающиеся дозы, рост тростника не прекращался (П.Г. Кроткевич, 1982).

В лабораторных экспериментах при фильтрации через заросли растений сточных вод животноводческого комплекса крупного рогатого скота количество различных минеральных солей уменьшалось на 37 — 57%, хлоридов — на 56%, сульфатов — на 34%. В этих опытах лучшие результаты показали тростник, рогоз, ирис ложноаировый, камыш и другие макрофиты (П.Г.Кроткевич, 1982).

Прибрежно-водные растения способны концентрировать радиоактивные вещества; таким образом, они участвуют в дезактивации вод. Многие виды растений обладают высоким избирательным накоплением радиоактивных элементов. Накапливающая способность гидробионтов характеризуется коэффициентом накопления, т. е. соотношением концентрации изотопа в организме и воде. Коэффициент накопления у мхов (сфагнум, фонтиналис) составляет 1600 в течение суток; у ряски в течение трех суток экспозиции он составил 2500—4000 при концентрации^Sr, равна 10~⁷— Ю~¹⁰ Ки. Для сравнения: коэффициент накопления радиоактивного стронция у зеленых водорослей составляет 6000.

Погруженные водные растения, накапливающие на поверхности листьев в процессе фотосинтеза углекислый кальций, способны удерживать вместе с ним и^Sr. В «корочке» карбоната кальция содержится в 7 —10 раз больше стронция, чем непосредственно в листьях.

Разные экологические группы прибрежно-водных растений накапливают радиоактивные изотопы неодинаково: наибольшее количество аккумулируют погруженные растения, далее идут виды с плавающими листьями, а меньше всего эта способность развита у воздушно-водных растений. Некоторые виды водных растений обладают повышенной аккумулирующей способностью. Так, у элодеи коэффициент накопления ⁵⁷Со в течение суток составляет 1500 (по другим данным — до 4000), a '‘'Sr — 1400. Высокой способностью накапливать радиоизотопы отличаются харовые водоросли; они извлекают из воды до 60% суммарной радиоактивности и поэтому могут служить индикаторами радиоактивного загрязнения водоемов (К. А. Кокин, 1982). Технология очистки водной среды с применением растений намного экономичнее других способов. Причем освобождение от радионуклидов может сочетаться с очисткой воды от других загрязняющих веществ.

Таким образом, прибрежно-водная растительность может аккумулировать из природных и сточных вод многие химические элементы и тем самым способствовать снижению их концентрации в среде. Поэтому признается рациональным их культивирование в водоеме или в системе очистки загрязненных вод с последующим удалением (выкашиванием) (А. В. Францев, 1961). Удаление и дальнейшая переработка растений позволят утилизировать многие токсичные и радиоактивные соединения.

Минерализация и окислительная функция. Деструкция и минерализация сложных органических соединений до простых и безвредных происходит двумя путями: в результате физико-химических процессов и с участием растений. В первом случае окисление происходит в присутствии растворенного в воде кислорода. Поэтому чем выше его содержание, тем быстрее и эффективнее протекает процесс минерализации и самоочищения водоема. Однако при сильном загрязнении водоема запасы растворенного кислорода быстро расходуются, а пополнение его за счет газообмена с атмосферой протекает медленно, отчего самоочищение замедляется. Во втором случае минерализация протекает с участием растений: либо в процессе метаболизма, либо в водной среде, но обязательно с участием кислорода, выделяемого растениями. Этот процесс в жизни водоема имеет ведущее значение, ибо интенсивность биохимических реакций в живом организме выше интенсивности чисто химических реакций, свободно протекающих в водоемах.

Минерализующая способность водоема прямо пропорциональна интенсивности развития в нем прибрежно-водной растительности. Это происходит за счет не только выделенного растениями кислорода, но и метаболитов, стимулирующих деятельность перифитона, развивающегося на их поверхности.

Детоксикация органических загрязнений. С городскими и промышленными стоками, даже прошедшими полную биохимическую очистку, в водоемы поступает значительное количество опасных загрязнений (фенолы, пестициды, ядохимикаты и др.). Возникает вопрос, какова роль высших водных растений в детоксикации этих веществ в процессе самоочищения?

Установлено, что тростник, рогоз, камыш, ирис и другие макрофиты способны поглощать из воды не только инертные соединения, но и физиологически активные вещества типа фенолов, пестицидов, нефтей, нефтепродуктов и др., если, конечно, они не превышают летальные для растений концентрации.

Некоторые токсичные соединения не только поглощаются растениями, но и включаются в метаболизм, что имеет большое значение для их детоксикации. Так, некоторая часть потребленного растениями фенола выделяется в атмосферу через устьица. Например, деструкция фенолов в присутствии харовых водорослей протекает более интенсивно, чем в зарослях высших растений, что объясняется наличием у них фермента фенолоксидазы. Фенолы и их производные удаляются из загрязненных вод с помощью водных растений, прежде всего погруженных. Исследования показали, что в течение суток одно растение камыша озерного весом около 100 г способно извлечь из воды до 4 г фенола. Фенолы поглощаются и включаются в метаболизм других растений (в частности, зостеры, водяного гиацинта и др.). Присутствие водных растений в 2 — 3 раза ускоряет окисление фенольных соединений (К. А. Кокин, 1982).

Вместе с водными растениями в разрушении высокотоксичных органических соединений (в частности, фенолов, нефти, пестицидов и др.) принимают участие микроорганизмы (бактерии, водоросли, грибы), обитающие на их поверхности. При этом аэробные микроорганизмы интенсивно потребляют кислород. Таким образом, деструкция токсичных соединений происходит за счет как самих макрофитов и ферментов бактерий, так и фотосинтетической аэрации, обеспечивающей жизнедеятельность всех аэробных организмов.

В водоемы в значительных количествах поступают различные ядохимикаты, в частности хлорорганические соединения. Эти вещества также накапливаются водными растениями. Изучение влияния некоторых пестицидов на жизнедеятельность разных видов тростника, рогоза, рдеста, ряски, урути, роголистника и др. показало, что растения способны поглощать и накапливать эти ядовитые соединения (А.И.Мережко, 1973; К. А. Кокин, 1982). Вэкспериментальных условиях уруть в течение 3 — 7 дней удаляла из водоема до 50% дифенамида, а водный гиацинт — до 80%. Оба растения разлагают этот гербицид на менее устойчивые соединения, которые в дальнейшем разрушаются микроорганизмами.

Ценность водных растений заключается в том, что они могут не только концентрировать ядохимикаты, но и способны разлагать высокотоксичные соединения на менее токсичные и, в конечном счете, обезвреживать их.

Деструкция нефтяных загрязнений. В России, по разным оценкам, в результате аварий и утечек ежегодно теряется от 10 до 20 млн т нефти. По другим сведениям, эта цифра достигает 25 млн т. Официальные данные значительно скромнее — около 5 млн т (В. Ж. Аренс, О. М. Гридин, 1997). Существенная часть нефти и нефтепродуктов в конечном счете оказывается в водоемах.

Заросшие прибрежно-водной растительностью водоемы достаточно легко справляются с поступающими в них нефтяными загрязнениями. Причем, чем выше степень зарастания, тем интенсивнее протекают процессы самоочищения водоемов. В зарослях макрофитов нефть подвергается с помощью микроорганизмов биологическому окислению и вовлекается в обменные процессы не только бактерий, но и других гидробионтов, в том числе и растений. Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению тростник, рогоз, камыш, сусак, осоки, роголистник, уруть, элодея и другая прибрежно-водная растительность. В присутствии нефти (в небольших концентрациях) рост тростника, рогоза и камыша протекает более интенсивно (в среднем на 10—15 см), чем в опытах без нефти (П. Г. Кроткевич, 1982; Н. В. Морозов, 2001).

Различные виды нефти (сырая, товарная, эмульгированная), а также нефтепродукты при концентрации 1 г/л в присутствии растений исчезают через 5—10 дней, а без растений — на 28 —32-й день опыта. Следовательно, высшие водные растения ускоряют бактериальное разложение нефти и нефтепродуктов в 3 — 5 раз.

Разрушение нефти и нефтепродуктов осуществляется в основном за счет жизнедеятельности нефтеокисляющих и сапрофитных бактерий. Процесс начинается сразу же после поступления нефти в водоем; количество микроорганизмов резко увеличивается, достигая своего максимума на 3 —4-й день. В результате микробиологических процессов нефтяная пленка на поверхности и нефть в толще воды разрушаются, уменьшаются концентрация в воде кислорода и, наоборот, увеличивается содержание углекислоты. По мере уменьшения количества нефти численность бактерий постепенно снижается.

Роль прибрежно-водных растений в самоочищении воды от нефти достаточно велика: фотосинтетическая аэрация поддерживает в среде достаточное количество кислорода; выделения экзометаболитов стимулируют развитие нефтеокисляющих бактерий; развитая поверхность растений увеличивает зону контакта между нефтью и бактериями. Так, содержание кислорода в зоне зарослей в 2—3 раза выше, чем в открытой части водоема; наибольшее насыщение воды кислородом отмечается в дневные часы во время интенсивных фотосинтетических процессов.

Предполагается, что эпифитная микрофлора, обитающая на поверхности растений, способна усваивать углеводороды нефти или продукты ее разрушения.

Прижизненно выделяемые высшими водными растениями вещества (аминокислоты, углеводы, органические кислоты, летучие амины, витамины, органический углерод и др.) являются стимуляторами и питательной средой для нефтеокисляющих и гетеротрофных микроорганизмов (А. А. Ратушняк, 1993). Это доказано в опытах с сухими прутьями ивы, кустарников, высохшими стеблями рогоза и др., которые представляли собой поверхность соприкосновения нефтяного загрязнения с окисляющей микрофлорой. Возрастание численности бактерий происходило очень медленно, а пленка нефти сохранялась неизменной даже на 14 — 17-е сутки опыта (Н. В. Морозов, 2001, 2003).

Интенсивность разложения нефти во многом зависит от условий среды — pH, температуры, наличия биогенных и минеральных солей, биостимуляторов и др.

Из физических и химических факторов существенное влияние на деятельность нефтеокисляющих бактерий оказывают температура и pH среды (Е. П. Розанова, 1967; О. Г. Миронов, 1970, 1973; Н. В. Морозов, В. Н. Николаев, 1978; Н. В. Морозов, 2001). Температура воды в интервале 20—28 °С наиболее благоприятна для развития нефтеокисляющих бактерий. Наилучшие показатели разрушения нефти и нефтепродуктов получены в интервале pH 6,0— 7,5. Интервал pH от 5 до 9 вполне приемлем для жизнедеятельности нефтеокисляющих бактерий. Эти значения pH благоприятны и для жизнедеятельности других гетеротрофов. Для достижения высокой биодеградации нефти необходимо наличие в среде не только минеральных форм азота, фосфора и других биогенных элементов, но и различных стимуляторов, выделяемых прибрежно-водными растениями.

В процессе разрушения нефти часть окисленных соединений включается в метаболизм бактерий и растений, а остальные вещества перерабатываются с образованием нетоксичных и малотоксичных соединений. Таким образом, разложение нефти — результат совместной деятельности гетеротрофных микроорганизмов и прибрежно-водных растений. Первые выступают как основные деструкторы и минерализаторы загрязняющих веществ, а вторые — как индукторы, поглотители и потребители окисленных соединений. По мнению Н. В. Морозова (2001, 2003), биоинженерные сооружения с применением прибрежно-водных растений позволяют сократить время очистки загрязненных стоков в 2—5 раз, а нефтяные загрязнения уменьшить на 95—100%.