Биогенные элементы – это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. Кислород (70% массы. - презентация

1 Биогенные элементы – это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. Кислород (70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), азот, фосфор, кальций составляют 99,9% массы организма. Биогенные химические элементы, находящиеся в воде или почве активно участвуют в геохимических и биохимических процессах и составляют исходную материальную базу биологической продуктивности. Биологическая продуктивность - это воспроизведение органического вещества или биомассы микроорганизмов, растений, в том числе водорослей и животных, входящих в состав экосистемы. Биологическая продуктивность является результатом процессов размножения и роста живых организмов, идущих с некоторой скоростью и может быть выражена величиной органического веществ или биомассы, образуемой за единицу времени (день, год) на единицу площади (для наземных и донных организмов) или объема (для организмов, обитающих в толще воды). Обеспеченность первичного продуцирования необходимыми элементами неодинакова: Водород, кислород и кальций постоянно присутствуют в морской воде в достаточном количестве, которое не оказывает ограничивающего действия на возможность их усвоения. Фосфор и азот - находятся в воде или в почве в малых количествах и интенсивно потребляются в процессе фотосинтеза, часто лимитируют развитие организмов. Их количество и соотношение оказывает решающее влияние на динамику и пространственное распределение водорослей, т.е. начального звена биологической продуктивности, а через водоросли на последующие звенья (зоопланктон, бентос, рыб, морских млекопитающих).

2 Стехиометрическое соотношение Понятие о биогенных элементах обычно связывается с азотом, фосфором, кремнием, которые находятся в фитопланктоне в определенных (стехиометрических) соотношениях. В среднем для природных популяций водорослей характерно соотношение Si:N:Р = 31:16:1 (атом) или 28:7:1 (по массе). В этих отношениях биогенные элементы должны извлекаться фитопланктоном из воды и используются для построения живых тканей. Стехиометрические соотношения позволяют судить об избытке или недостатке основных биогенных элементов, устанавливать, какой из них может оказаться лимитирующим.

3 Фосфор Наиболее изученный среди биогенных элементов. В практике по фосфору чаще всего судят об обеспеченности биопродукционного процесса питательными веществами. В воде неорганический фосфор находится в виде фосфатов. В Мировом океане на долю растворенных неорганических соединений фосфора приходится около 90 %, органического фосфора 5 %, фосфора в составе взвешенных веществ 3-5%. Фосфор интенсивно потребляется фитопланктоном. Ежегодно водоросли потребляют около 0,5*10 9 т фосфора. Если бы неорганический фосфор не регенерировал при разложении органических веществ и не поступал из глубинных слоев, он был быстро потреблен водорослями в поверхностном слое, что привело к остановке процессов биологического продуцирования. На водные экосистемы, особенно на речные и озерные, большое влияние оказывает поступление фосфора с суши в растворенном виде и в составе взвешенных веществ. Около 7*10 6 т в год растворенного и взвешенного минерального фосфора поступает с речным стоком. Это имеет большое значение, поскольку компенсирует выход небольшого количества фосфора из круговорота и переход его в ходе седиментации в состав донных отложений. Сезонные изменения процессов вегетации водорослей сказываются на содержании фосфора. Характерно значительное снижение концентраций в летние месяцы, когда интенсивно развиваются водоросли, и резкое повышение зимой за счет процессов регенерации и поступления из глубинных слоем при разрушении термоклина. На содержание фосфора также влияют и другие факторы. Хорошо известно значение биогенного стока рек для режима фосфора в Балтийском, Каспийском, Азовском морях.

4 Эвтрофикация вод Эвтрофикация - повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов. Различают естественную (природную) и антропогенную эвтрофикацию. Эвтрофикация может происходить в результате естественной эволюции водоема. Наиболее ярким примером является трансформация олиготрофного озера в мезотрофное и затем в эвтрофное. В результате обогащения водоемов биогенными веществами, поступающими в результате деятельности человека, в том числе с промышленными и бытовыми сточными водами, происходит антропогенная эвтрофикация. Антропогенная эвтрофикация водоемов часто сопровождается ухудшением их социального значения и биосферных функций экосистем. В этом случае эвтрофикация выступает как особая форма загрязнения. Основные вещества, способствующие эвтрофикации водоемов - фосфор и азот, значительно реже углерод, кремний и некоторые другие. Наибольшее значение имеет фосфор; реже лимитирует развитие азот. Избыточное накопление биогенных элементов в водоеме обусловлено их поступлением с водосборной площади, с коммунальными стоками, рекреационным использованием. Накопление резко возрастает вследствие интенсификации сельского хозяйства, в частности все более широкого применения минеральных удобрений (10–25% вносимого в почву азота и 1–5% фосфора попадает в водоемы. По мере роста населения непрерывно увеличивается поступление биогенов с коммунальными стоками, чему способствует употребление во все больших количествах моющих средств, содержащих фосфор.

5 Цветение водоемов Одно из важнейших отрицательных проявление антропогенной эвтрофикации, - цветение водоемов - массовое развитие фитопланктона. Цветение воды отрицательно влияет на хозяйственное использование водоемов: 1. Обилие водорослей ухудшает питьевые качества воды, т.к. происходит выделение метаболитов водорослями, придающих воде различные запахи и привкусы. У некоторых сине-зеленых водорослей продукты обмена ядовиты и могут накапливаться в воде. 2. Затрудняется переработка воды при организации питьевого водоснабжения в результате засорения фильтров. 3. При гиперцветении водоросли всплывают к поверхности после отмирания и образуют сплошной ковер, ухудшающий условия аэрации воды, провоцируя заморные явления в воде. 4. Разложение отмерших водорослей сопровождается образованием продуктов анаэробного распада. Гниение массы водорослей, выброшенных на берег или скапливающиеся около него, ухудшают возможность рекреационного использования водоемов. Наиболее часто цветение воды вызывается сине-зелеными водорослями, которые также называются цианобактериями. Эти организмы, возникшие около 4 млрд лет назад почти одновременно с водной оболочкой Земли, очень устойчивы к самым неблагоприятным условиям среды. В настоящее время цветение воды наблюдается во многих водоемах, для которых при нормальной экологической ситуации это явление не свойственно.

6 Меры по предупреждению антропогенной эвтрофикации Основная мера предупреждения эвтрофикации водоемов - охрана от избыточного поступления биогенных элементов, в частности фосфора и азота. Повышение культуры земледелия сопровождающееся уменьшением стока биогенов с сельскохозяйственных угодий. Поступление биогенов в водоемы с коммунальными и другими стоками предупреждается двумя способами: 1. Очищение стоков от биогенов, особенно фосфора. Для этого используются осаждение его (солями алюминия, железа, известью) и ряд других методов. 2. Обезвреживание стоков - снижение в них концентрации фосфора за счет использования детергентов с меньшим содержанием этого биогенная. Эвтрофирование водоемов может быть прекращено или уменьшено различными химическими, физическими и биологическими методами: Химические – внесение в водоем различных препаратов, подавляющих первичное продуцирование (медный купорос, альгициды). Физические – разбавление эвтрофицируемых вод чистыми, удалению ила и богатых биогеннаями вод гиполимниона, аэрация воды. В малых водоемах при аэрации усиливается минерализация органики, сокращается или прекращается ее накопление в водоеме. Биологические – а) культивирование зарослей макрофитов в прибрежной зоне с последующим их изъятием, при этом происходит перехват биогенов и предотвращается развитие фитопланктона; б) разведение растительноядных рыб.

7 Калининградская область Калининградская область расположена в пределах водосборных территорий Вислинского и Куршского заливов, которые составляют часть бассейна Балтийского моря. Большую часть территории области занимает бассейн реки Преголи. Рекя Преголя является важным источником питьевой воды и воды, используемой на хозяйственные нужды, естественным приемником сточных вод, активно используется в рекреационных целях и представляет большое рыбохозяйственное значение. В устье реки расположен Калининград. Значительное поступление загрязняющих веществ и биогенов, на водосборном бассейне реки Преголи происходит от точечных источников со сбросом сточных вод. Большинство населенных пунктов области не имеет очистных сооружений биологической очистки. Через очистные сооружения механической очистки проходят 95% стоков, на долю биологической очистки приходится 4,5%; физико-химической - 0,2%. Из-за устаревшей конструкции и гидравлической перегрузки из 111 очистных сооружений только 48% обеспечивают проектный режим очистки стоков и ни одно не обеспечивает нормативную очистку. По данным на 2007 г. 85% сброшенных сточных вод относятся к категории недостаточно-очищенных и без очистки. Влияние Калининграда на экологическое состояние реки Преголи очень велико. Выше города качество вод по многим показателям (прозрачность, содержание кислорода, БПК 5, состав и биомасса фитопланктона) оценивается как достаточно хорошее. В Калининграде, по направлению к центру, происходит значительное ухудшение всех показателей качества воды, значительно увеличивается содержание в воде биогенных веществ. Так, в пределах Калининграда, содержание минерального фосфора увеличивается вдвое

8 Биогенная нагрузка с водосборного бассейна реки Преголи на Вислинский залив При моделировании биогенной нагрузки на Вислинский залив выполнена ревизия источников поступления биогенных веществ на водосборе р. Преголи. Точечная нагрузка формируется за счет сброса сточных вод промышленных, муниципальных и сельскохозяйственных предприятий, а распределенная нагрузка складывается из природной составляющей (лесной фонд, заболоченные территории и другие), поступления с сельскохозяйственных угодий, а также за счет сельского населения и скотоводства. По результатам моделирования поступление биогенных веществ с водосбора р. Преголя выше города Калининграда в среднем за период гг. составляло около 2300 т/год азота и 440 т/год фосфора. Коммунально-бытовые и промышленные стоки Калининграда в основном отводятся Калининградским отводным каналом, непосредственно в Приморскую бухту Вислинского залива. Согласно анализу данных официальной статистики со сточными водами Калининграда поступает порядка 1400 т/год азота и 300 т/год фосфора. Суммарное поступление азота и фосфора с водосбора р. Преголи и Калининграда, включая сток через Калининградский отводной канал, составляет порядка 3700 т/год азота и 740 т/год фосфора.

9 Период оценки Поступление биогенных веществ Азот тонн N/ год Фосфор тонн P/ год Оценка 1992 г.р. Преголя и отводной канал Калининграда Оценка гг. р. Преголя выше по течению Калининграда р. Преголя ниже по течению Калининграда р. Преголя и отводной канал Калининграда Оценка гг. р. Преголя выше по течению Калининграда р. Преголя и отводной канал Калининграда Моделирование гг. р. Преголя выше по течению Калининграда р. Преголя и отводной канал Калининграда Таблица 1. Оценка поступления биогенных веществ в Вислинский залив со стоком р. Преголи и отводного канала г. Калининграда в разные годы С начала 90-х годов XX века, в связи с причинами экономического характера в России и, в частности, в Калининградской области, уменьшилось количество промышленных предприятий, в сельском хозяйстве значительно сократились площади пахотных земель, снизилось количество применяемых удобрений, уменьшилось поголовье скота. В результате уменьшилось в несколько раз поступления биогенов в водные объекты. В наибольшей степени снизилась биогенная нагрузка по азоту, так как его поступление, прежде всего, связано с сельскохозяйственными угодьями и применением минеральных удобрений.