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.