Что такое эффект аккумуляции при сбросах в водоем

Аккумуляция организмами загрязняющих веществ 1277

Под аккумуляцией веществ организмами понимается накопление в их тканях минеральных элементов и некоторых соединений, находящихся в окружающей среде в низких концентрациях. Так, например, концентратором свинца является одуванчик лекарственный, который может быть использован для биологической очистки почвы от этого тяжелого металла. Концентраторами ртути являются рыбы, что может, при использовании их в пищу, стать причиной тяжелых заболеваний и даже смерти человека. Так, в ФРГ считается, что при ежедневном употреблении в течение двух недель в пищу по 500 г рыбы, выловленной в Северном море, возможно тяжелое отравление со смертельным исходом.

Возможно накопление в костных и жировых тканях животных токсичных органических соединений – бенз(а)пирена, диоксинов. Организмы активно концентрируют радиоактивные изотопы из воды и воздуха, попадающих в их тело.

В пищевых цепях происходит повышение концентрации некоторых веществ в организмах. Например, при переходе от первого трофического уровня ко второму увеличивается концентрация азота и фосфора, так как в животных тканях больше белка, в состав которого входят эти элементы. Однако, если содержание азота или фосфора увеличивается в 2-3 раза, то многие минеральные элементы и некоторые соединения накапливаются несравненно более активно. При переходе с одного трофического уровня на другой их концентрация может возрастать в 10 и более раз.

В итоге в тканях организмов высоких трофических уровней содержание этих веществ может превышать их концентрацию в окружающей среде в тысячи раз. Так, концентрация свинца в организмах зоопланктона может быть выше, чем в окружающей среде, в 300 раз, а у моллюсков бентоса – в 4000 раз.

В тканях животных содержание пестицида ДДТ за счет посредников в пищевой цепи может быть выше, чем в окружающей среде, в 50-100 тыс. раз. В промышленных городах нередко концентрация загрязняющих веществ в материнском молоке повышается настолько, что оно становится опасным для младенцев.

Контрольные вопросы к разделу 6.5

1. Что такое биологическая аккумуляция веществ?

2. Приведите пример повышения концентрации загрязняющих веществ при их прохождении по пищевой цепи.

3. Какие опасные загрязняющие вещества концентрируют рыбы?

4. С чем связано повышение концентрации загрязняющих веществ в материнском молоке?

Источник

ДОП.) § 30. АККУМУЛЯЦИЯ ВЕЩЕСТВ ОРГАНИЗМАМИ

В экосистеме вещества, в отличие от энергии, используются многократно: после гибели организмов они возвращаются редуцентами в окружающую среду. Однако при прохождении веществ по «эстафетам» пищевых цепей концентрация некоторых из них повышается. Так, на этапе «растение – фитофаг» в несколько раз возрастает содержание азота и фосфора (последнего – особенно у рыб).

В то же время, есть вещества (как правило, из числа загрязняющих окружающую среду и не нужных для нормальной жизни организмов), концентрация которых при прохождении по пищевой цепи может возрастать в десятки и сотни раз. Этот процесс называется биологической аккумуляцией веществ.

На каждом следующем трофическом уровне концентрация этих веществ возрастает примерно в 10 раз. В итоге в тканях живых организмов их содержание может быть выше, чем в окружающей среде, в тысячи раз.

Так, концентрация свинца в организмах зоопланктона выше, чем в окружающей среде, в 300 раз, а у моллюсков бентоса – в 4000 раз. У полярных крачек концентрация может увеличиваться даже в 10 млн. раз. Концентраторами ртути являются рыбы, что может, при использовании их в пищу, стать причиной тяжелых заболеваний и даже смерти человека.

В промышленных городах нередко в результате биологической аккумуляции настолько повышается концентрация загрязняющих веществ в материнском молоке, что оно становится опасным для младенцев.

Организмы активно концентрируют радиоактивные изотопы, особенно опасно накопление изотопов с большим физическим периодом полураспада. Если принять содержание стронция-90 в воде за единицу, то в донных отложениях оно достигает 200, в водных растениях – 300, в тканях карповых рыб – 1000, в костях окуня – 3000, в костных тканях животных, питающихся рыбой, – 3900 единиц.

Способность организмов накапливать загрязняющие вещества следует учитывать при контроле загрязнения окружающей среды.

1. Какую опасность для человека представляет накопление в пищевых цепях загрязняющих веществ?

2. Почему в промышленных городах нередко рекомендуют вскармливать младенцев искусственными молочными смесями?

Морские животные асцидии аккумулируют ванадий, его концентрация в теле животного может достигать 0,16%. В Японии этот редкий металл уже добывают из таких «живых месторождений». Активными накопителями металлов являются микроорганизмы.

Последствия отравления ртутью получили название «болезнь Минамата» – по названию бухты в Японии, где в 1953-1969 гг. произошло отравление рыбой, которая аккумулировала ртуть из сточных вод промышленных предприятий. У побережья Корсики в теле угрей содержание ртути достигает 600 мг на 1 кг. Развитие «болезни Минамата» возможно, если потребление угрей одним человеком составит 2 кг в неделю. Из-за высокого содержания ртути в воде Северного моря не рекомендуется есть выловленную там рыбу чаще двух раз в неделю. А рыбу из реки Рейн вообще не едят.

В последних звеньях пищевых цепей у позвоночных животных в костных и жировых тканях могут накапливаться токсичные органические соединения – бензо(а)пирен, диоксины. В тканях устриц, гагары и других животных содержание ДДТ может быть выше, чем в окружающей среде, в 50–100 тыс. раз. (Рис. 48).

Радиоактивные изотопы особенно активно концентрируются в грибах (особенно в масленках, моховиках и волнушках), некоторых видах птиц (утки) и рыб (линь, сом, вьюн). Это нужно учитывать при использовании продуктов питания, которые могут быть сильно загрязнены даже при невысоком радиоактивном загрязнении окружающей природной среды.

Биологическая аккумуляция радиоактивных изотопов человеком может происходить как при их попадании в организм с водой и воздухом, так и через посредников в пищевой цепи. Радиоактивный йод, к примеру, вначале усваивается растениями, затем попадает в молоко коров и после этого – в организм человека.

Разные радиоактивные вещества накапливаются в разных органах. Так, йод – в щитовидной железе; радон, уран, плутоний, криптон – в легких; сера – в коже; кобальт – в печени; калий и цезий – в мышцах; полоний – в селезенке; рутений – в почках. Практически все радиоактивные элементы накапливаются в костях и печени.

Источник

Глава 2. Глобальные проблемы биосферы

О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.

Глава 2. Глобальные проблемы биосферы

Лекция 9. Загрязнение биосферы

9.3. Накопление загрязняющих веществ в пищевых цепях. Правило биологического усиления

Любое соединение, загрязняющее естественную среду, может быть поглощено живыми организмами. Таким путем оно включается в трофические сети экосистем, участвует в круговороте веществ, оказывая вредное воздействие на живые организмы.

Все живые существа (конечно, в разной степени) обладают способностью накапливать в своем организме любые вещества, биологически слабо или совершенно не разрушающиеся. Это обстоятельство порождает биологические явления, усложняющие процесс загрязнения каждой экосистемы. В самом деле, организмы, аккумулировавшие токсичные вещества, служат пищей другим животным, которые затем накопят их в своих тканях.

Таким образом, постепенно происходит заражение всей пищевой цепи экосистемы, начало которому положили первичные продуценты, «выкачивающие» загрязняющие вещества, рассеянные в биотопе. Накопление токсичных веществ в живых организмах увеличивается на каждом последующем трофическом уровне. Во всех случаях хищники, находящиеся в самом конце пищевой цепи, оказываются обладателями наиболее высокого уровня заражения.

Например, Миеттинен (цит. по Ф. Рамад, 1981) показал, что жители Лапландии получили дозы радиации (от 90 Sr и 137 Сs) в 55 раз большие, чем жители Хельсинки. Он рассмотрел движение этих радиоактивных элементов в следующей цепи:

Содержание радиоактивных стронция и цезия в лишайниках велико, что связано не только с физиологическими особенностями этих организмов, но и с природой почв тундры. Очень бедные питательными минеральными веществами почвы тундры быстро усваивают стронций и цезий, близкие по своим химическим свойствам к калию и кальцию. Концентрация стронция и цезия в лишайниках в несколько тысяч раз выше, чем в почвах тундры. Новое накопление радиоактивных веществ происходит в организме оленей, питающихся лишайниками, лапландцы же отравляются, питаясь мясом и молоком оленей. У травоядных концентрация радиоактивного цезия была в 3 раза выше, чем у лишайников, а в тканях лапландцев (плотоядные) его содержалось в 2 раза больше, чем в мясе оленя.

В 1953 г. в одной из рыбацких деревень, что стояла в бухте Минамата, вспыхнула эпидемия загадочного заболевания. Болезнь не была инфекционной, но поражала целые семьи. У жителей стали наблюдаться нервные расстройства: возбужденное состояние, раздражительность, неспособность сосредоточиться, депрессия, сужение поля зрения, потери слуха, речи, разума, нетвердая походка и т. д. Из 116 официально зарегистрированных случаев 43 имели летальный исход, а у выживших отмечались все вышеперечисленные синдромы. Однако японские врачи, исследовавшие историю этой эпидемии, оценили реальное число заболевших людей многими сотнями. В этой деревне даже домашние кошки отличались своеобразным поведением. Некоторые из них бросались в воду – поведение, не свойственное животному, известному своей водобоязнью. Болезнь назвали болезнью Минамата. Она дважды наблюдалась в Японии: в 1953 г. в бухте Минамата и в 1965 г. в районе Ниигаты.

Причиной заболевания стало – и это совершенно очевидно – наличие патогенного или токсичного элемента в пище жителей бухты и их домашних животных. Тщательная экспертиза, проведенная между 1956 и 1959 гг., показала, что источником болезни являлась рыба из бухты Минамата.

В 1962 г. в сточных водах завода в районе бухты была обнаружена метилртуть. В 1965 г. подобное заболевание в районе Ниигаты, расположенном далеко от Минаматы, также было вызвано метилртутью. На этот раз 5 человек из 30 тяжело заболевших погибли. Все они питались рыбой, выловленной в реке Агано, в которую попадали сточные воды завода «Шова Денко», синтезирующего ацетальдегид (метилртуть).

Сегодня совершенно очевидно, что единственной причиной «экологической болезни» Минамата является метилртуть. Появление первых симптомов этого заболевания отмечалось подчас через много лет после употребления в пищу рыбы и морских животных, зараженных этим веществом, а у детей, рожденных не болевшими женщинами из районов Минамата и Ниигата, обнаружены серьезные врожденные аномалии.

Рассмотренные явления иллюстрируют биологическое накопление (концентрирование) токсичных веществ в пищевых цепях. Накопление живыми организмами ряда химически неразрушающихся веществ (пестициды, радионуклиды и др.), ведущее к биологическому усилению их действия по мере прохождения в биологических циклах и по пищевым цепям, получило название «правило биологического усиления». В наземных экосистемах с переходом на каждый трофический уровень происходит, по крайней мере, 10-кратное увеличение концентрации токсичных веществ. В водных экосистемах накопление многих токсичных веществ коррелирует с массой жиров (липидов) в организме морских обитателей.

Источник

Аккумуляция веществ организмами

Полезное

Смотреть что такое «Аккумуляция веществ организмами» в других словарях:

АККУМУЛЯЦИЯ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ОРГАНИЗМАМИ — (от лат. accumulatio накопление), постепенное накопление организмами химических веществ в ходе их обитания в загрязненной среде. На каждом следующем трофическом уровне создается многократно более высокая концентрация загрязнителя. См. также… … Экологический словарь

Аккумуляция (значения) — Аккумуляция (лат. accumulatio накопление): Аккумуляция процессы накопления рыхлого минерального вещества на поверхности Земли. Аккумуляция равнины, образующиеся вследствие длительного накопления (аккумуляции) толщ рыхлых… … Википедия

Аккумуляция радиоактивных веществ — в биосфере, накопление радиоактивных веществ (РВ) всеми составными частями биосферы живыми (микробы, растения, животные, человек) и неживыми (почва, воды суши и океанов). Особенно энергично А. р. в. происходит в организмах. Некоторые РВ… … Большая советская энциклопедия

круговорот веществ в природе — повторяющийся циклический процесс превращения и перемещения отдельных химических элементов и их соединений. Происходил в течение всей истории развития Земли и продолжается в настоящее время. Всегда имеет место определённое отклонение в составе и… … Географическая энциклопедия

ДДТ — (дихлордифенилтрихлорэтан) один из самых экологически опасных инсектицидов. Отличается высокой устойчивостью и концентрируется из окружающей среды живыми организмами, накапливается в тканях печени, почек и мозга млекопитающих, в том числе и… … Экологический словарь

ДДТ — Дихлордифенилтрихлорэтан один из самых экологически опасных инсектицидов. Отличается высокой устойчивостью и концентрируется из окружающей среды живыми организмами, накапливается в тканях печени, почек и мозга млекопитающих, в том числе и… … Словарь бизнес-терминов

Бытовая радиационная нагрузка — воздействие на человека невысоких доз ионизирующего излучения, не связанного с производством ядерной энергии или специальным использованием радиоактивного излучения. Б.р.н. может быть получена при использовании бытовых приборов (в первую очередь… … Экологический словарь

Р 52.24.756-2011: Критерии оценки опасности токсического загрязнения поверхностных вод суши при чрезвычайных ситуациях (в случаях загрязнения) — Терминология Р 52.24.756 2011: Критерии оценки опасности токсического загрязнения поверхностных вод суши при чрезвычайных ситуациях (в случаях загрязнения): 3.1.1 аварийная ситуация на водном объекте: Ситуация, сложившаяся на водном объекте или… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Биосфера — (от Био. и Сфера) оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Б. охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы,… … Большая советская энциклопедия

БИОСФЕРА — (от био. и греч. sphaira шар), оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Первые представления о Б. как «области жизни» и наружной оболочке Земли восходят к Ламарку. Термин… … Биологический энциклопедический словарь

Источник

Чтобы водоем не «цвел», надо снизить поступление в него фосфора

Слева: Дэвид Шиндлер в 1981 г. Тогда он был директором Программы ELA (Experimental Lakes Area — «Экспериментальной озерной территории»). Справа: сделанный в августе 1976 г. аэроснимок озера №226, находящегося на «Экспериментальной озерной территории». Озеро было поделено на две части пластиковой перегородкой, и в северо-восточную часть (она внизу снимка) добавляли фосфор, что вызвало «цветение воды» (массовое развитие фитопланктона). Изображение с сайта www.cbc.ca

Наверняка каждому хоть раз приходилось видеть пруд с совершенно непрозрачной, зеленого цвета водой. Про такой водоем говорят, что он «цветет». «Цветение воды» — это не что иное, как вспышка численности фитопланктона (микроскопических водорослей и цианобактерий). Чтобы понять причины возникновения подобных вспышек, необходимо разобраться в механизмах, обычно сдерживающих непомерное развитие фитопланктона. Для этого в лаборатории или непосредственно в озере проводят опыты с добавлением в среду того или иного дефицитного элемента минерального питания, прежде всего азота и фосфора. Хотя экспериментально и доказано, что процесс эвтрофирования (увеличения биологической продуктивности вод, наиболее заметным проявлением которого как раз является «цветение») возникает в результате возросшего поступления в среду элементов минерального питания, прежде всего фосфора, из этого не следует, что при сокращении притока дефицитных элементов наблюдаемые процессы пойдут в строго обратном направлении. Полного «обращения вспять» не происходит (или оно происходит с большой задержкой), поскольку в изменившихся условиях вступают в действии другие процессы, например поступление фосфора из донных отложений или усиление фиксации (связывания) атмосферного азота цианобактериями. Тем не менее, значительное сокращение поступления в водоем фосфора остается единственной эффективной мерой в борьбе с эвтрофированием.

Помимо света (источника энергии) и углерода (основного строительного материала) всем организмам фитопланктона, как водорослям, так и бактериям, нужны также элементы минерального питания («биогенные элементы»), прежде всего — азот и фосфор. Соотношение числа атомов углерода, азота и фосфора в клетках фитопланктона равно в среднем 106:16:1. На 106 атомов углерода приходится 16 атомов азота и 1 атом фосфора. Поскольку все эти элементы являются незаменимыми, очевидно, что нехватка любого из них может ограничивать рост численности фитопланктонных организмов. Впрочем, углерода, которого нужно больше всего, в воде как раз хватает, а вот азот и, особенно, фосфор нередко оказываются в дефиците, сдерживая таким образом размножение водорослей и цианобактерий.

Поступают азот и фосфор в озера прежде всего с территории водосбора. Неудивительно поэтому, что процессы, происходящие на этой территории, сказываются на состоянии экосистемы озера. Так, если на прилегающих землях начинают выращивать сельскохозяйственные культуры, требующие применения большого количества минеральных удобрений, то определенная часть этих удобрений неизбежно смывается дождями (а весной — и талыми водами) в озеро. Если рядом находится животноводческий комплекс, то его стоки также попадают в водоем. Даже простое увеличение числа людей, проживающих около озера, приводит к возрастанию поступления в водоем азота и фосфора — они ведь присутствуют в конечных продуктах обмена веществ нашего организма (как и в продуктах обмена домашних животных), причем в форме, пригодной для усвоения водорослями и бактериями.

Одно из озер «Экспериментальной озёрной территории» в Канаде (провинция Онтарио), где проводились исследования процессов эвтрофирования. Фотография Paul Frost с сайта www.openfile.ca

В ответ на повышение стока в озеро азота и фосфора увеличивается продукция фитопланктона, то есть скорость нарастания его массы. Планктонные животные, например дафнии, в такой ситуации увеличивают потребление фитопланктона, но возможности их в сдерживании роста водорослей и бактерий в общем ограниченны. При отсутствии лимитирования «снизу» (элементами минерального питания) фитопланктон быстро выходит из-под контроля «сверху» (пресса поедающего его зоопланктона) и достигает таких концентраций, при которых резко уменьшается прозрачность воды, а ограничивающим фактором становится нехватка света (эффект самозатенения).

Масса отмершего фитопланктона опускается в более глубокие слои водной толщи, а развивающиеся здесь бактерии перерабатывают для своих нужд свалившуюся на них кучу органического вещества, расходуя при этом порой весь имеющийся в окружающей среде кислород. В создавшихся условиях резкого дефицита кислорода скорость дальнейшего разложения органического вещества бактериями резко замедляется. Взвешенные частицы детрита (состоящего главным образом из отмерших клеток фитопланктона и фекалий планктонных животных) опускаются вниз и образуют слои донных отложений. Кислород на дне и в придонных слоях водной толщи отсутствует. Соответственно, обитать там могут только анаэробные бактерии. Но дефицит кислорода, приводящий к гибели рыб (так называемым «заморам») может наблюдаться в подобных водоемах и в верхних слоях воды. Происходит это ночью, когда фотосинтез фитопланктона прекращается, а кислород очень активно потребляется при дыхании как самих фитопланктонных организмов, так и бактерий, разлагающих мертвое органическое вещество.

Совокупность описанных выше процессов и есть то, что называют «эвтрофированием» (или «эвтрофикацией» — оба термина употребляются в русской литературе). Иногда эвтрофирование возникает в силу естественных причин, например при близости больших колоний птиц (птичьих базаров) или при выпадении вулканического пепла. Однако в большинстве случаев оно связано с хозяйственной деятельностью человека. Возможности использования сильно эвтрофированных водоемов весьма ограниченны. Вода из них не годится для питья, да и многих других хозяйственных нужд. Спортивное рыболовство невозможно, поскольку при ухудшении кислородного режима исчезают ценные в промысловом отношении виды рыб, прежде всего представители лососевых и сиговых. Купальщиков эвтрофные водоемы также не привлекают, тем более что среди цианобактерий, вызывающих «цветение воды», попадаются штаммы, вырабатывающие токсины. Бороться с эвтрофированием чрезвычайно сложно. Источников поступления в водоем азота и фосфора (в минеральной форме, пригодной для использования фитопланктоном) множество, они носят диффузный (рассеянный) характер и неизбежно возникают при росте численности населения и необходимости увеличивать производство продуктов питания.

Зависимость биомассы фитопланктона (оцененной по содержанию хлорофилла) от общего количества фосфора в разных озерах, находящихся на «Экспериментальной озерной территории» (Канада, Онтарио). Из книги Стэнли Додсона (Stanley Dodson) «Introduction to Limnology», 2005. Данные заимствованы из работы Дэвида Шиндлера Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes // Science, 1977. V. 195. Pp. 260–262

Изучение процессов эвтрофирования ведется давно и очень интенсивно. Уже в 1970‑е годы трудами исследователей разных стран было показано, что уровень развития фитопланктона в том или ином озере непосредственно зависит от количества поступающего в водоем фосфора. Стоки азота также имеют значение, но только при наличии фосфора. Кроме того, некоторые цианобактерии являются «диазотрофами», то есть способны связывать молекулярный азот атмосферы (N₂). Ряд важных работ по эвтрофированию был выполнен в 1970–80 гг. в Канаде (провинция Онтарио), в рамках проекта, получившего название «Экспериментальная озерная территория» (Experimental Lakes Area). Недавно профессор Дэвид Шиндлер (David Schindler), долгое время руководивший данным проектом, опубликовал обзорную статью, подводящую итоги изучения процесса эвтрофирования и попыток возвращения эвтрофированных озер в исходное состояние (процесса, называемого иногда «олиготрофизацией»).

Проблема эта имеет огромную практическую значимость. В частности, некоторые авторы предполагают, что введение жестких мер, направленных на ограничение стока в водоемы фосфора, само по себе недостаточно. Необходимо ограничить также стоки азота. Однако введение контроля за двумя элементами оказывается очень дорогим. Так, комиссия Евросоюза оценивает стоимость мер по ограничению сброса в Балтийское море азота и фосфора в 3,1 млрд евро. Но если ограничиться только фосфором, то стоимость мер снижается в 10 раз — до 0,21–0,43 млрд евро.

Динамика различных показателей состояния озера №261 на «Экспериментальной территории» за двадцатилетний период. Широкой голубой полосой показан период, когда озеро интенсивно удобряли фосфором. На отдельных графиках приведены изменения в содержании: (a) TN — общего азота; (b) NO₃ — нитратов; (c) TP — общего фосфора; (d) Chlorophyll a — хлорофилла a. Все величины в микрограммах на литр. Подобные графики приведены и для ряда других озер. Изображение из обсуждаемой статьи в Proc. R. Soc. B.

Проанализировав множество работ, Шиндлер в обсуждаемом обзоре приходит к выводу, что решающим фактором, определяющим эвтрофирование, является всё же поступление фосфора. Поэтому снижение именно фосфорной нагрузки является самым многообещающим методом борьбы с эвтрофированием. Однако процесс «олиготрофизации», то есть обращения вспять процесса эвтрофирования, сам по себе может быть очень непростым. Вся логика предыдущих исследований основывалась на экспериментах по добавлению дефицитных элементов в среду, содержащую фитопланктон. При этом молчаливо допускалось, что изъятие из стоков этих элементов автоматически запустит цепь процессов, обратных тому, что происходило при эвтрофировании. Но выяснилось, что это не так. Обратная реакция могла быть иной из-за эффекта гистерезиса (см. также hysteresis) — зависимости системы не только от текущего состояния среды, но и от прошлого, или, иначе, из-за неодинаковости траекторий между крайними состояниями системы.

Так, если в водоем долгое время сбрасывается большое количество фосфора, значительная его часть попадает на дно, а после того, как сброс фосфора извне прекращается, начинается активное высвобождение его из донных отложений. При уменьшении сброса азота активизируется азотфиксация — связывание атмосферного азота «диазотрофами», представленными в водоемах цианобактериями.

Шиндлер подчеркивает, что хотя лабораторные эксперименты дают гораздо более точные и легче интерпретируемые результаты, но только крупномасштабные опыты с целыми озерами могут служить надежной основой для разработки мер по предотвращению эвтрофирования или восстановлению прежнего статуса сильно эвтрофированных озер.

Источник: David W. Schindler. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes // Proc. R. Soc. B. 2012. Published online before print August 22, 2012. (Вся статья находится в свободном доступе).

Источник