Samooczyszczanie wód oraz czynniki ekologiczne wpływające na jego przebieg.

Zanieczyszczenie wód powierzchniowych jest obecnie tak powszechne, że wody zupełnie czyste należą w zasadzie do rzadkości. Nawet zbiorniki usytuowane z dala od miast, osiedli oraz zakładów przemysłowych otrzymują ze zlewni wraz z wodami opadowymi znaczne ładunki zanieczyszczeń.

Zanieczyszczenie jako zjawisko występujące w wodach powierzchniowych jest skomplikowane i trudne do wyrażenia w postaci prostej definicji. Z punktu widzenia racjonalnej gospodarki zasobami wodnymi zanieczyszczeniem określa się zjawisko, w którym skład wody jest tak dalece zmieniony przez bezpośrednie lub pośrednie wpływy działalności ludzkiej, iż użytkowanie jej do picia i innych potrzeb w gospodarstwie domowym, a także do hodowli ryb i celów przemysłowych jest ograniczone względnie zupełnie niemożliwie. Z biologicznego punktu widzenia za zanieczyszczenie uznaje się każdy czynnik działający szkodliwie na organizmy wodne, a także na ludzi i zwierzęta, w przypadku korzystania z danej wody do celów konsumpcyjnych. Może to być zatem nadmierne stężenie związków organicznych lub mineralnych, jak również zmieniona niekorzystnie temperatura wody, radioaktywność, mętność i barwa, a nawet obecność wirusów i bakterii chorobotwórczych. Szkodliwość działania zanieczyszczeń polega na gwałtownych zmianach warunków fizykochemicznych w wodzie.

W efekcie tego działania następują zmiany w składzie zespołów organizmów wodnych, z których ustąpić muszą gatunki bardziej wrażliwe, a na ich miejsce pojawiają się organizmy o innych wymaganiach ekologicznych. W przypadku skrajnych, gdy do wody dostaje się nadmierna ilość zanieczyszczeń lub związki o charakterze toksycznym, następuje częściowe lub całkowite zatrucie organizmów i powstanie w wodzie stref martwych.

Zanieczyszczenia wód zakłócają zatem istniejącą równowagę między czynnikami abiotycznymi i biotycznymi. Na tle nowych warunków powstają inne zespoły biocenotyczne, przystosowane do zmienionego środowiska, lub jeśli jest to niemożliwe, organizmy te muszą zginąć.

Z drugiej strony organizmy zasiedlające wody powierzchniowe wykorzystując do swej działalności metabolicznej tlen i składniki odżywcze, a wydalając końcowe produkty przemiany materii, przyczyniają się do likwidowania zanieczyszczeń i regeneracji naturalnych cech wody.

Zdolność modyfikowania środowiska wodnego przez organizmy żywe ma zasadnicze znaczenie dla procesu samooczyszczania.
Samooczyszczanie wód powierzchniowych jest zjawiskiem fizyczno-biochemicznym polegającym na samoistnym zmniejszaniu się stopnia zanieczyszczenia wód. Procesy te występują w wodach płynących i stojących, jednak z różną intensywnością. W praktyce rozpatruje się zwykle samooczyszczanie zachodzące w rzekach.

Samooczyszczanie obejmuje kilka procesów, takich jak: sedymentacja czy adsorpcja. Pewne znaczenie, szczególnie w przypadku związków organicznych, ma także fotoliza i parowanie z powierzchni wody. Duży wpływ na przebieg samooczyszczania mają: prędkość przepływu wody oraz rozcieńczenie zanieczyszczonych wód rzeki czystymi wodami dopływów.

I.Procesy samooczyszczania.

1.Rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie.
Rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika odgrywa ważną rolę przy zmniejszaniu stężenia substancji zanieczyszczających. Zjawisko to zachodzi głównie w wodach płynących. W rzece nie jest ono równomierne w całym przekroju, ponieważ zależy od mieszania, na które na wpływ przede wszystkim prędkość przepływu, oraz cyrkulacja wody w przekroju poprzecznym. Stały przepływ i związane z tym mieszanie warstw wody zapewnia ponadto lepsze natlenienie, ewentualną dyfuzję z wody do atmosfery lotnych produktów przemiany materii (CO2, N2), oraz zapewnia lepszy kontakt substratów z komórkami mikroorganizmów. Ten ważny czynnik odróżnia wody płynące od zbiorników stojących ( jeziora lub stawy). Ruch wody w tych ostatnich wywołany jest jedynie zmianami temperatury wody i różnicami w jej ciężarze właściwym.

2.Sedymentacja zawiesin.
Powoduje ona zmniejszenie zanieczyszczeń organicznych. Sedymentacja odbywa się na odcinkach i miejscach rzeki zmniejszonej prędkości przepływu wody, a więc w zbiornikach zaporowych, rozlewiskach, zatokach. Widocznym efektem sedymentacji jest spadek mętności wody.
Opadanie cząstek zawieszonych w wodzie zależy od prędkości wody, która wynosi;
dla Wisły środkowej ok. 1m/s

dla zbiornika Włocławek na Wiśle od 0,1m/s przy zaporze
do 0,8m/s na początku zbiornika

dla małych rzek nizinnych 0,1-1m/s

dla rzek górskich 1,5-2,5m/s

Silna sedymentacja następuje w przypadku odprowadzania do rzeki ścieków nie oczyszczonych o dużej zawartości zawiesin. Poniżej miejsca dopływu ścieków oczyszczonych sedymentacja może zachodzić tylko wtedy, gdy prędkość przepływu wody w rzece jest niższa niż prędkość przepływu ścieków w osadnikach oczyszczalni, co oczywiście jest nieprawidłowością, oraz w przypadku niewłaściwego oczyszczania ścieków. Typowa prędkość przepływu ścieków w osadnikach wtórnych oczyszczalni wynosi 0,01-0,05 m/s.

W przypadku intensywnej sedymentacji w rzece i dużego nagromadzenia zanieczyszczeń w osadzie dennym należy się liczyć z możliwością wtórnego zanieczyszczenia wody wskutek anaerobowego rozkładu związków organicznych nagromadzonych w osadzie dennym, wymywania związków nieorganicznych z osadu, a także porywania osadów dennych i ponownego wprowadzenia zanieczyszczeń do wody w razie nagłego przyboru wody.

W przypadku dużego nagromadzenia substancji organicznych w osadzie dennym może być przyczyną pojawienia się w wodach wielu zanieczyszczeń. Jeżeli w warstwie wody nad dnem występuje tlen, to może on przeniknąć do osadów, ale tylko do cienkiej warstwy powierzchniowej. W zasadzie w osadzie dennym występują warunki anaerobowe. Następuje więc beztlenowy rozkład substancji organicznych, związany z intensywnym wydzielaniem się gazów. Skład takich gazów jest zwykle następujący: 14% dwutlenku węgla, 17% metanu i 69% azotu. Może wytwarzać się także siarkowodór i inne związki o nieprzyjemnym zapachu. Czasami wydzielanie gazów jest tak silne, że następuje wynoszenie drobnych cząstek osadów dennych do toni wodnej. Osady denne wprowadzone do toni wodnej oraz niektóre wydzielone gazy mogą przyspieszyć proces zużycia tlenu w wodzie i doprowadzić do zwiększenia deficytu tlenu. Bardzo często w miejscach o zwolnionym przepływie występuje w wodzie nad osadami dennymi duży deficyt tlenu lub całkowity zanik tlenu.

3. Adsorpcja.
Polega ona na zatrzymaniu zanieczyszczeń chemicznych na granicy faz, a więc na powierzchni dna i brzegów, roślinności wodnej, konstrukcji hydrotechnicznych i na innych ciałach stałych znajdujących się w wodzie. Na powierzchniach tych mogą powstawać błonki biologiczne, w których zachodzi rozkład zanieczyszczeń, podobnie jak przy oczyszczaniu ścieków na złożach zanurzonych. Adsorpcji podlegają głównie związki organiczne. Ze związków nieorganicznych szczególnie silne właściwości adsorpcyjne wykazują niektóre metale ciężkie. Mogą one adsorbować się nie tylko na ciałach stałych zanurzonych w wodzie, ale także na cząstkach zawiesin. W wyniku adsorpcji zawartość substancji organicznych, a także częściowo związków nieorganicznych, może zmniejszyć się. Jednocześnie istnieje możliwość wtórnego zanieczyszczenia w wyniku desorpcji i przejścia substancji nagromadzonych na powierzchni do toni wodnej.

4. Biologiczne usuwanie zanieczyszczeń.
Najważniejszą częścią samooczyszczania jest biologiczne usuwanie zanieczyszczeń, do którego zaliczamy:
a)Biosorpcja
Ma charakter fazy wstępnej prowadzącej do właściwego rozkładu substratu. Powierzchnia komórki jest miejscem wymiany składników dyfundujących do wnętrza komórki oraz przenikania produktów przemiany materii i pewnych enzymów ( ektoenzymów) w kierunku przeciwnym. W przeciwieństwie do adsorpcji na powierzchni ciał stałych, zatrzymanie się związków chemicznych na żywej komórce jest na ogół krótkotrwałe. Stała wymiana między treścią komórki a jej zewnętrznym środowiskiem decyduje o ciągłej regeneracji powierzchni i możliwości adsorbowania się nowych cząsteczek.

Do biosorpcji zalicza się także zjawisko gromadzenia się tlenków i wodorotlenków żelaza i manganu na powierzchni mikroorganizmów. Nie zostało jeszcze w pełni wyjaśnione, czy gromadzenie to jest wynikiem określonych procesów fizjologicznych, czy też jest ono biernym gromadzeniem się tych związków na granicy dwóch faz.
b)Mineralizacja

Polega na enzymatycznym rozkładzie związków organicznych przez drobnoustroje, wykorzystaniu energii i pierwiastków biogennych oraz wydaleniu prostych produktów mineralnych (CO2, H2O, NO3- ,PO4-,
-SO4 ).Całość przemian zachodzi w warunkach tlenowych.

Mineralizacja może być procesem dwuetapowym. W pierwszym etapie następuje biodegradacja, czyli rozkład związku organicznego i powstanie produktów mineralnych, w drugim - dalsze utlenienie produktów nieorganicznych. Przykładem może tu być mineralizacja białek. Ich biodegradacja polega na hydrolizie i dezaminacji aminokwasów oraz utlenieniu reszty kwasu organicznego, jaki powstaje po wydzieleniu amoniaku. Drugi etap to dalsze utlenianie amoniaku do azotanów w procesie nitryfikacji. Wszystkie procesy składające się na mineralizację katalizowane są przez odpowiednie enzymy. W mineralizowaniu zanieczyszczeń organicznych biorą udział przede wszystkim bakterie, a także promieniowce, grzyby miksotroficzne glony, jak np. sinice. Rozkład cząsteczek organicznych zachodzi na ogół wewnątrz komórki. Tylko związki wielocząsteczkowe ( białka, celuloza oraz inne naturalne i syntetyczne polimery) są hydrolizowane poza komórką, a dopiero produkty tego dyfundują do wnętrza ustroju i tam są utleniane.

Mineralizacja jest procesem tlenowym. Gdy zachodzi ona intensywnie, może nastąpić poważny deficyt tlenu w odbiorniku luba nawet całkowite jego wyczerpanie.

W warunkach anaerobowych rozkład materii organicznej prowadzić mogą tylko bakterie należące do względnych beztlenowców lub bezwzględnych beztlenowców. Na rozkład ten składa się gnicie lub fermentacja. Produktami końcowymi są kwasy organiczne, aminy, amoniak, metan, siarkowodór, indol i skatol itp. Niektóre z wymienionych związków mają przykry zapach ( indol, skatol, siarkowodór), inne są szkodliwe, a nawet trujące ( amoniak, siarkowodór).
c)Biokumulacja

Proces pobierania z wody pewnych związków lub jonów i gromadzenia ich w komórce w coraz większych ilościach. Kumulacji podlegają związki niepodatne na rozkład biologiczny bądź jony, których komórka metabolizować nie potrafi. Do takich należą niektóre pestycydy, zwłaszcza węglowodory chlorowane i sole metali ciężkich. Gromadzą się one w różnych częściach komórki doprowadzając do niekorzystnych zmian np. wakuolizacji cytoplazmy, obniżenia aktywności enzymatycznej, wydłużania czasu generacji, zaniku chlorofilu u glonów itp. Na przykład miedź i ołów odkładają się początkowo w ścianie komórkowej, a następnie w cytoplazmie. Po śmierci komórki zakumulowane związki są ponownie uwalniane do wody. Biokumulacja jest więc procesem zezwalającym tylko na okresowe usunięcie z wody zanieczyszczenia i zatrzymanie go przez jakiś czas w obrębie komórki.

Ponadto, należy zwrócić uwagę na fakt, iż nagromadzenie się metali ciężkich w komórce doprowadza do osiągnięcia zawartości wielokrotnie przewyższających stężenie tych jonów w wodzie. Znając toksyczny charakter metali w stosunku do ustrojów żywych można powiedzieć, iż Biokumulacja jest swoistym mechanizmem przyspieszającym osiągnięcie
progowego stężenia, po przekroczeniu którego następuje gwałtowna śmierć organizmu.
d)Immobilizacja

Unieruchomienie, które polega na przekształceniu nieorganicznych form pierwiastków w struktury organiczne i wbudowania ich w składniki komórkowe. Jest to zjawisko przeciwstawne mineralizacji.

5. Wymiana substancji lotnych pomiędzy wodą a atmosferą.
Na samooczyszczanie ma także wpływ wymiana substancji lotnych między wodą a atmosferą. Składa się na nią uwalnianie gazowych produktów przemiany materii i ich dyfuzja do atmosfery ( CO2, N2 ,CH4 ) oraz równoważenie zawartości gazów rozpuszczalnych w wodzie, między woda a atmosferą. Szczególnie ważne znaczenie ma tu dyfuzja tlenu z powietrza, który jest niezbędny do przeprowadzenia mineralizacji oraz pokrycia zapotrzebowań oddechowych wszystkich organizmów występujących w danym zbiorniku. Dyfuzja tlenu z powietrza do wody i jego rozpuszczenie jest determinowane temperaturą wody i ciśnieniem, a ponadto pobór tego gazu jest proporcjonalny do jego deficytu, czyli różnicy pomiędzy 100 - procentowym nasyceniem wody tlenem, a jego aktualną zawartością. Przenikanie tlenu w kierunku odwrotnym - z wody do atmosfery zachodzi podczas tzw. przesycenia wody tlenem.

Inne gazy, jak np. CO2 i N2 w razie powstania ich deficytów i odwrotnie mogą być oddane do atmosfery wówczas, gdy nasycenie nimi wody jest pełne a procesy rozkładowe dostarczają w dalszym ciągu tych gazów jako produktów końcowych.

Metan może tylko przenikać z wody do atmosfery. Gaz ten powstaje w warunkach beztlenowych, najczęściej przy dnie zbiornika i jako gaz lżejszy od wody natychmiast się z niej ulatnia.

6. Wymiana substancji między dnem i wodą.
Na skład chemiczny wody składają się procesy wymiany pewnych składników między dnem a wodą. Należy tu zaliczyć wytrącanie się pewnych soli i osadzanie na dnie zbiornika i odwrotnie, oddawanie produktów metabolizmu drobnoustroju z dna do wody.

PROCESY SKŁADAJĄCE SIĘ NA SAMOOCZYSZCZANIE
1.Transport substancji zawieszonych w wodzie do osadów dennych.Sedymentacja nieorganicznych i organicznych zawiesin.
2 Reakcje zachodzące w wodzie lub na powierzchni cząstek zawieszonych.
a. Reakcje chemiczne: Reakcje neutralizacji kwasów zasadami i odwrotnie, procesy oksydoredukcyjne, adsorpcja, precypitacja
b. Reakcje biochemiczne: - Hydroliza i dysymilacja połączeń organicznych, - Utlenianie i redukcja związków mineralnych, - Immobilizacja, - Przeprowadzanie w formy rozpuszczalne, - Wytrącanie z roztworu związków rozpuszczalnych, - Przeprowadzanie w formy lotne c. Obumieranie wirusów, bakterii chorobotwórczych i zwierząt pasożytniczych.
3. Reakcje wymiany substancji lotnych między wodą atmosfery.
a. Uwalnianie gazowych produktów przemiany materii i ich dyfuzja do atmosfery.
b. Równoważenie zawartości gazów rozpuszczalnych w wodzie miedzy wodą a atmosferą.
4.Transformacja i utlenianie osadów dennych. Chemiczne i biochemiczne utlenianie osadów dennych.
II. Wpływ ważniejszych czynników ekologicznych na postęp samooczyszczania.

1.Warunki biocenologiczne.
Zachwianie równowagi biologicznej w obrębie biocenozy może mieć charakter przejściowy tzn., że procesy samoregulacji ekologicznej przywracają -w krótkim czasie -stan jaki istniał pierwotnie. Jeżeli jednak czynnik wywołujący zakłócenie np. zanieczyszczenia działa drastyczne przez dłuższy czas, dochodzi do trwałych zmian w biocenozie polegających na ustaleniu się innych stosunków ilościowych i jakościowych w układzie populacji. Zanieczyszczenie organiczne preferuje rozwój mikroorganizmów heterotroficznych. Natomiast foto- i chemoautotrofy spełniają w tych warunkach rolę pomocniczą uczestniczą w resorpcji wielu produktów mineralnych, które powstają podczas biodegradacji. Z kolei, stosunki ilościowe autotrofów (P) do heterotrofów (H) wybitnie wpływają na postęp samooczyszczania. Na intensywność usuwania określonych związków stanowiących zanieczyszczenie, ma ponadto wpływ szybkość rozwoju i produkcji biomasy przez poszczególne populacje. Wuhrmann (1974) podaje, że mikroflora heterotroficzna, usuwając w warunkach tlenowych jeden gram węgla organicznego z wody, przekracza około 0,5 grama na rozbudowę własnych składników komórkowych. Gatunki, które dominują w biocenozie, wykazują jednocześnie wysokie zapotrzebowanie na węgiel, azot i inne pierwiastki; one też odgrywają główną role w procesie biodegradacji. Dalszym ważnym parametrem jest rozmieszczenie mikroorganizmów w masie wody oraz szybkość transportu substratów do komórek. Jak wiemy, drobnoustroje występują w wodzie w takich zbiorowiskach jak np.: plankton, perifiton i bentos. Z tych ugrupowań główną rolę przypisuje się organizmom osiadłym, występującym w perifitonie i bentosie. Wuhrmann (1974) podaje , że dobrze rozwinięty perifiton z dominacją Sphaerotilus natans zawiera około 70g C org/m2, podczas gdy biomasa organizmów planktonowych zawieszonych w 1m3 wody zawiera tylko około 1g C org/m3. Niezwykle istotny wpływ ma również szybkość transportu substratów do komórek. W warunkach naturalnych zapewnia go przepływ i mieszanie się wody.

2. Znaczenie tlenu.
Mineralizacja materii organicznej jest procesem tlenowym. Tlen spełnia rolę akceptora wodoru podczas utleniania substratów organicznych oraz utleniania zredukowanych form azotu, siarki itp. Mineralizacja w ujęciu matematycznym można podzielić na dwie fazy.
W pierwszej, następuje hydrolityczny rozkład związków wielkocząsteczkowych oraz ich utlenianie z wydzielaniem dwutlenku węgla i wody. W przypadku białek powstaje również amoniak. Faza ta określa jest mianem właściwego rozkładu związków organicznych.
Drugi etap obejmuje natomiast utlenianie mineralnych produktów biodegradacji, a więc np.: utlenianie amoniaku do azotynów i dalej do azotanów.

Wyznaczony doświadczalnie czas potrzeby do realizacji obu jaz mineralizacji wynosi średnio 20 dni. Największa ilość tlenu pobrana jest w ciągu pierwszych pięciu dni, ponieważ większość substratów podatnych na biodegradację zostaje w tym czasie utleniona. Następnie zaś szybkość wykorzystywania tlenu maleje.

Ilość tlenu, która w określonym czasie zostaje zużyta przez drobnoustroje na mineralizację, nosi nazwę biochemicznego zapotrzebowania tlenu (BZT) i wyrażana jest w mg 02/. Przez wyznaczenie biochemicznego zapotrzebowania tlenu można ocenić stężenie związków organicznych rozpuszczonych w wodzie.

Streeter i Phelps (1935) przyjęli, że proces biochemicznego utleniania substratów przebiega według reakcji monomolekularnej tzn., że w każdej jednostce czasu ulega utlenianiu pewna liczba związków organicznych, proporcjonalna do ilości związków pozostałych i jeszcze nie utlenionych. Opierając się na tym stwierdzeniu Imhoff (1963) podał, że BZT zmienia się w każdym jednakowym odcinku czasu, o ściśle określoną wartość, która dla jednej doby i temperatury 200C wynosi 20,6% ogólnej wartości BZT. Poza stężeniem związków organicznych, wpływ na wartość BZT ma rodzaj i liczba oraz aktywność drobnoustrojów. Jeżeli np. badana woda jest sterylna lub liczba bakterii jest niewielka, wówczas procesy biochemicznego rozkładu mimo wystarczającej ilości wolnego tlenu i bogactwa substratów -nie zachodzą lub ich intensywność będzie bardzo niewielka. Takie skutki w warunkach naturalnych wywołane są najczęściej obecnością związków toksycznych, które działają niekorzystnie na aktywność enzymatyczną bakterii lub też działają zabójczo. W takich warunkach, zmieniona wartość BZT nie odzwierciedla rzeczywistego stopnia zanieczyszczenia wody. Obliczanie linii tlenowej oparte jest na wyznaczeniu wartości deficytu tlenowego po uwzględnieniu wszystkich źródeł zużycia i poboru tlenu na rozpatrywanym odcinku rzeki.

Linia tlenowa służąca do określania stopnia zanieczyszczenia oraz postępu samooczyszczania, ma trzy charakterystyczne punkty: początkowy, krytyczny oraz tzw. punkt przegięcia. Ponadto, wyznacza ona cztery strefy samooczyszczania: strefę największego obciążenia, rozkładu, regeneracji i strefą wody czystej.

Punkt początkowy linii tlenowej znajduje się bezpośrednio poniżej źródła zanieczyszczenia. Wskutek dopływu związków organicznych w wodzie rozpoczyna się tym miejscu zwiększony pobór tlenu na mineralizacji. Dyfuzja tlenu z powietrza nie nadąża za jego zużycia, co powoduje zmniejszanie się najmniejszą zawartością rozpuszczonego tlenu, a nawet pełnym jego wyczerpaniem. Punkt krytyczny wskazuje na maksymalny deficyt tlenowy w tej strefie. W strefie regeneracji woda zaczyna powoli wracać do stanu normalnego. Wyznaczony na linii tlenowej tzw. punkt przegięcia wskazuje, iż procesy rozkładu przebiegają ze zmniejszoną intensywnością. Pobór tlenu z atmosfery przeważa na jego zużyciem.

Znajomość roli tlenu w procesie fizjologicznego usuwania zanieczyszczenia umożliwia m.in. ochronę wody przed jej nadmiernym zanieczyszczeniem.

3. Wpływ temperatury.
W naszych warunkach klimatycznych temperatura wody w zbiornikach powierzchniowych waha się w granicach o 0 do około 220C. Wiadomo, że temperatura około 00C zwalnia procesy rozmnażania u bakterii oraz podstawowe funkcje fizjologiczne u wielu organizmów wodnych. Z tego też powodu procesy mineralizacji przebiegają w zimnie znacznie wolniej. Niektóre bakterie wodne ustępują już z biocenozy w temperaturze +40C, np. Sphaerotilus natans. Również bakterie nitryfikacyjne i metanowe wykazują w tej temperaturze osłabione procesy metaboliczne.

Temperatura ma bezpośredni i pośredni udział w procesach biochemicznych w wodzie. Podwyższenie temperatury wpływa przyspieszająco na procesy rozmnażania, a przede wszystkim skraca czas generacji u bakterii. Może też wpłynąć na odmienne formowanie się zespołów biocenotycznych, jeżeli tylko nowa, wyższa temperatura będzie odpowiadała optimum rozwojowemu określonego gatunku, który z kolei może okazać się bardzo korzystny dla procesu samooczyszczania. W nowych warunkach termicznych może też nastąpić dominacja form uciążliwych dla niektórych rodzajów użytkowania wody. Podgrzanie wód powierzchniowych przedłuża na jesień, zimę i wiosnę okres mineralizacji osadów dennych, gdyż normalnie trwa on tylko w okresie wegetacyjnym, tj. w lecie. Natomiast w lecie w zbiornikach podgrzanych sytuacja jest zwykle odwrotna, szczególnie przy niskich stanach wód i długotrwałych okresach upalnej, suchej pogody. Podgrzanie wody pogarsza wówczas warunki tlenowe, a przyspieszenie procesów metabolicznych wymaga równocześnie dostarcza zwiększonych ilości tlenu.

Powstaje w ten sposób poważa kolizja, która doprowadza często do ostrych deficytów tlenowych w wodzie i również poważnych zaburzeń w procesach samooczyszczania.

4. Wpływ odczynu.
Mikroorganizmy wodne wymagają w zasadzie środowiska o odczynie obojętnym, znoszą jednak wahania w kierunku odczynu słabo zasadowego lub słabo kwaśnego. Wyjątek stanowią grzyby, które rosną w wodzie o odczynie kwaśnym. Gwałtowna zmiana pH wody uniemożliwia funkcje większości enzymów i niszczy wrażliwe komórki.
Gwałtowne zmiany odczynu wód powierzchniowych spowodowane są odprowadzeniem niektórych ścieków przemysłowych bez ich wstępnej neutralizacji.

Odczyn może ulegać zmianom również na skutek zachodzących w wodzie procesów biochemicznych. W pewnych warunkach, można obserwować nagromadzenie się zasadowych produktów metabolizmu np. amoniaku lub produktów o charakterze kwasów (zwłaszcza podczas beztlenowego rozkładu materii organicznej.

5. Wpływ związków toksycznych.
Do wód powierzchniowych docierają liczne toksyczne. Wprowadzane są one przede wszystkim ze ściekami przemysłowymi, często również bytowo-gospodarczymi oraz z wodami opadowymi, które spłukują z terenów rolniczych środki ochrony roślin.

Ze względu na to, że działanie trujące różnych związków chemicznych jest zależne od wielu właściwości związku oraz od gatunku organizmu, na którym związek ten działa, sformułowanie ścisłej definicji trucizny jest ogromne trudne.

Najbardziej zbliżona do współczesnych poglądów definicja określa substancję trująca w następujący sposób: trucizną jest substancją, która po wniknięciu do ustroju w niewielkich ilościach może spowodować, wskutek swych właściwości toksyko-dynamicznych, zaburzenia w funkcjonowaniu ustroju lub śmierć.

Działanie trucizn na drobnoustroje wodne jest bardzo różne. Wywołują one uszkodzenie struktury błony cytoplazmatycznej, inhibicję enzymów itp. Jeśli natomiast trucizna wprowadzana jest wielokrotnie, lecz w małych ilościach, z których żadna nie może wywołać widocznych objawów szkodliwego działania, to po pewnym czasie objawy te mimo wszystko nastąpią. Tego typu toksyczność nazywamy chroniczną albo przewlekłą. Zatrucia chroniczne mogą też powstać w wyniku kumulowania się trucizny w komórkach. Po pewnym czasie zakumulowana trucizna osiąga taki poziom, że przejawia swoje działanie trujące.

Często zdarz się, że do wód będących odbiornikami ścieków trafia nie jeden, a więcej związków toksycznych. Wtedy organizmy zamieszkujące to środowisko narażone są na działanie dwu lub więcej trucizn jednocześnie. W wyniku działania trucizn na biocenozę powstają w wodach strefy częściowego lub całkowitego zatrucia. Dawki subletalne lub słabiej działające trucizny oraz związki toksyczne działają selektywnie powodują zniszczenie tylko części organizmów w biocenozie. Stopień zatrucia wody oraz toksyczność różnych związków chemicznych ocenia się za pomocą metody bioestów. W metodzie tej wykorzystuje się wyniki uzyskane z obserwacji bezpośredniego kontaktu organizmów testowych z badania substancją. Metoda biotestów pozwala na:
- ocenę zaburzeń w podstawowych procesach metabolicznych u organizmów testowych, po określonym czasie kontaktu z trucizną (testy fizjologiczne)
- ocenę zabójczego działania badanego związku na organizmy testowe (testy letalne)

Zastosowanie wyników otrzymanych z przeprowadzonych testów w praktyce, wymaga dodatkowo uwzględnienia specjalnego współczynnika stosowalność lub współczynnika bezpieczeństwa pomniejszającego otrzymany wynik o pewną wartość. Na ogół przyjmuje się, że trucizn, które mogą ulegać rozkładowi biologicznemu współczynnik ten wynosi 0,1 a dla trucizn trwałych i kumulujących się w organizmach wynosi -0,01.

6. Wpływ substancji radioaktywnych.
Pierwiastki radioaktywne dostają się do wód powierzchniowych wraz z niektórymi rodzajami ścieków np. ze szpitala lub laboratoriów prowadzących badania przy pomocy izotopów.

Promieniowanie emitowane przez substancje radioaktywne wywierają na organizmy określone działanie, polegające - przy dużych dawkach - na jonizacji molekuł komórkowych, denaturacji białka strukturalnego i enzymatycznego. Nawet w małych dawkach promienie te wykazują działanie mutagenne.

Obecne w wodzie radioizotopy zajmują w procesie samooczyszczania zupełnie specyficzne miejsce, ponieważ nie mogą być usuwane na drodze zwykłych przemian biochemicznych prowadzonych przez drobnoustroje. Wprawdzie izotopy są pobie-rane, wbudowywane, a nawet magazynowane w cytoplazmie organizmów żywych na równi z innymi substancjami, lecz po śmierci ( ty bardziej, że okres życia jest krótki jak u bakterii) przez autolizę lub wymywanie dostają się powtórnie do wody.

Problem radioaktywności wód powierzchniowych w Polsce nie jest na szczęście w fazie stanu alarmowego, tym niemniej jest to zagadnienie wyjątkowo ważne.

III. Samooczyszczanie w wodach płynących.
1.Biologiczna ocena kinetyki samooczyszczania.
Postęp samooczyszczania wody w rzece można ocenić dokonując pomiarów stopnia zanieczyszczenia w punkcie powyżej miejsca odprowadzenia zanieczyszczenia, oraz w kilku punktach poniżej. Z różnicy stopnia zanieczyszczenia wody w poszczególnych punktach pomiarowych, można następnie wnioskować zarówno o rozmiarach zakłócenia równowagi chemicznej i biologicznej przez rzut ścieków, jak też o postępie samooczyszczania oraz długości odcinka, na którym ten proces zachodzi. Im szybciej woda uzyskuje ponownie swe naturalne cechy, tym oczywiście odcinek ten jest krótszy.

Oceny postępu samooczyszczania dokonuje się na ogół opierając się na badaniach bakteriologicznych, hydrobiologicznych i fizyko-chemicznych.

Kinetyka samooczyszczania zależy od bardzo wielu czynników np. udział biomasy mikroorganizmów, prędkość przepływu, zmiany stężenia zanieczyszczeń itp. Listę tych czynników należałoby uzupełnić stosunkami ilościowymi pomiędzy producentami, konsumentami i reducentami, ich uzdolnieniami enzymatycznymi, możliwością adaptacji, działaniem inhibitorów enzymów, rodzajem i stanem skupienia materii organicznej i nieorganicznej itp.
2.Saprobowość.

Pojęcie saprobowości odnosi się do wód zanieczyszczonych i pochodzi od greckiego słowa „sapros”, czyli gnilny. Określenie to w dzisiejszym rozumowaniu nie jest ścisłe, gdyż strefy saprobowe to przede wszystkim te, w których odbywa się mineralizacja, a wiec proces tlenowy. Jedynie tylko w przypadkach nadmiernego obciążenia odbiornika zanieczyszczeniem dochodzi do wyczerpania tlenu i gnicia materii organicznej.

Definicję saprobowości, opartą o przemiany mikrobiologiczne zachodzące w wodach zanieczyszczonych, podali Prag (1966) oraz Caspers i Karbe ( 1966). Uważają oni, iż saprobowość jest sumą wszystkich procesów rozkładu materii dostarczających wolnej energii. Saprobowość, którą można ocenić za pomocą dynamiki przemian dysymilacyjnych, intensywności poboru tlenu lub składu biocenozy jest w tym ujęciu procesom przeciwstawnym produkcji pierwotnej. Saprobowość jest zatem tym wyższa, im większe jest zanieczyszczenie wody.

W miarę postępu samooczyszczania zmienia się również saprobowośc, co pomaga za sobą zmianę struktury biocenologicznej zespołu. Sukcesywny wzrost saprobowosci, powoduje liczebną przewagę destruentów nad innymi ugrupowaniami w biocenozie. Odwrotnie, samooczyszczanie prowadzące do zmniejszania saprobowości, prowadzi do stałego zwiększania się udziału producentów.

IV. Samooczyszczanie w zbiornikach wód stojących.
Proces samooczyszczania w wodach stojących przebiega w zupełnie odmiennych warunkach niż w wodach płynących, chociaż mechanizm usuwania zanieczyszczeń pozostaje taki sam. Zanieczyszczenia dopływające do wody stojącej przeważnie o większej gęstości niż woda, opadają na dno i tam są rozkładane. Jednocześnie w strefie tej występują najczęściej deficyty tlenowe, gdyż w czasie okresów stratyfikacji letniej lub zimowej, zapas tlenu pobrany w okresach cyrkulacji powinien wystarczyć na czas, gdy woda pozostaje w bezruchu. W głębokich zbiornikach strefa denna jest ponadto pozbawiona światła słonecznego w związku z czym nie zachodzi fotosynteza, która mogłaby wzbogacić wodę w tlen. Dopływ zanieczyszczeń powoduje zwiększone biochemiczne zapotrzebowanie tlenu i powstanie zanieczyszczeń warunków anaerobowych. Dopiero okresy cyrkulacji sytuację tę mogą zmienić. Przy stałym dopływie zanieczyszczeń do zbiornika wód stojących następuje ciągłe nagromadzenie się zarówno substratów, jak i produktów ich rozkładu, co może wywołać trwałe, ujemne skutki. Jednym z nich jest znacznie szybsza eutrofizacja niż w wodach płynących.



LITERATURA:
Jan R. Dojlido „ Chemia wód powierzchniowych”.
Maria Pawlaczyk - Szpilowa „ Mikrobiologia wody i ścieków”.
„Mikrobiologia wód”.