Екологічний стан р. Південний Буг. Характеристика та заходи щодо його поліпшення

Кваліфікаційна робота

Екологічний стан р. Південний Буг. Характеристика та заходи щодо його поліпшення

Вступ

В умовах науково-технічного прогресу, коли діяльність людини набула справді планетарних масштабів, проблема раціонального використання природних ресурсів, їх відтворення і охорони стає однією з найактуальніших проблем сучасності.

Ця проблема пов’язана з погіршенням якості навколишнього середовища внаслідок індустріалізації та урбанізації його способу життя, виснажування традиційних легкодоступних джерел сировини і енергетичних ресурсів та ін.

Негативні результати антропогенного впливу є неминучим наслідком погіршення розвитку суспільства. Зазвичай, погіршення природного середовища пов’язане з помилками у технічній і екологічній політиці, недостатнім рівнем технічного розвитку.

Під час аналізу сучасної екологічної ситуації необхідно усвідомити, що людина сьогодні не може і не повинна радикально втручатися в природу, не враховуючи можливих негативних наслідків своєї господарської діяльності.

Проблема взаємодії людина-природа разом із екологічним, соціально-політичним має техніко-економічний аспект. Він полягає у раціональному виборі технології промислових процесів, технічних засобів, які забезпечують реалізацію природоохоронних заходів з найменшими матеріальними і фінансовими витратами.

Такі процеси називають екологічними або безвідходними технологіями. Одним із головних напрямків розвитку технологій на сучасному етапі є створення різних видів безстічних технологічних систем на базі існуючих і перспективних методів очистки води. Це зумовлено тим, що в зв’язку із зростанням населення і розширенням виробничої діяльності збільшується потреби у прісній воді. На сьогодні вони досягли таких масштабів, що в розвинених промислових районах виникла гостра проблема нестачі прісної води.

Основними причинами цієї нестачі є:

– збільшення потреб уводі;

– скорочення водності річок;

– забруднення поверхневих та підземних вод стічними відходами.

Забруднення водойм промисловими і побутовими стоками особливо позначається на дефіциті та якості споживчих властивостей прісної води. Забруднена вода непридатна для використання у господарстві та побуті, а на її очищення потрібні великі матеріальні фінансові витрати.

Найважливішими шляхами охорони внутрішніх водоймищ є боротьба із забрудненням, тобто запобігання йому, очищення стічних вод і раціональне використання водних ресурсів.

Україна була і залишається одним з найменш водозабезпечених регіонів Європи. Дефіцит водних ресурсів покривається частково за рахунок транзитного річкового стоку та каналів і водоводів, які виконують функції міжбасейнового перерозподілу. Створення великих водосховищ на Дніпрі з метою забезпечення електроенергією та водою промислових центрів Криворіжжя і Донбасу, а також зрошення сільгоспугідь Причорномор’я і Криму себе не виправдало і призвело до негативних екологічних наслідків. Було затоплено і виведено із сільськогосподарського обігу понад 500 тис. гектарів родючих земель; близько 100 тис. гектарів прилеглих до водосховищ земель опинились у зоні підтоплення, а вироблення електроенергії гідроелектростанціями дніпровського каскаду становило менш ніж 4 відсотки загальнодержавного обсягу. Масовими стали явища “цвітіння» води і руйнування берегів. Стан екосистем Чорного й Азовського морів є передкризовим саме через забруднення акваторій промисловими і комунальними стоками з “гарячих точок» прибережної зони та забрудненого стоку таких річок як Дунай, Дніпро, Дністер, Південний Буг і Дон.

Отже на сьогоднішній день в Україні і в тому числі у м. Вінниця, питання забезпеченості якісною питною водою населення не вирішене та остається актуальним.

1. Загальні екологічні відомості про водні ресурси

1.1 Вода як екологічний фактор

Вода, що є на Землі, утворилася внаслідок виділення газів із магми. Вона також може виділятися під час перебігу біохімічних процесів, мінералізації органічної речовини, фотосинтезу та окисно-відновних реакцій.

Вода складається з молекул, в яких два атоми водню зв’язані з одним атомом кисню ковалентним зв’язком, і які розташовані у кутах 104⁰. Завдяки високому, порівняно з воднем (+1), заряду ядра кисню (+8) електрони притягуються до ядра атома кисню сильніше, ніж до ядер атомів водню (модель частинок): центри мас зарядів не збігаються, молекула є постійним диполем. Який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів.

Диполі молекул води можуть сполучатися між собою водневим зв’язком, на розривання (дисоціацію) яких потрібно затратити 20-42 ккал/моль енергії (ентальпія дисоціації). Молекули води можуть, не сполучатись скупчуватись в асоціати (рідка вода) або утворювати тетраедричні чи циклічні основні одиниці кристалів при 0-4⁰С утворюються асоціати приблизно з 90, а при +70⁰С – з 25 молекул, які постійно формуються і розпадаються (1).

В температурних умовах земної поверхні вода одночасно перебуває у газоподібному і рідкому агрегатному стані. Рідка вода використовується живими організмами як засіб транспортування тепла та поживних речовин по провідних тканинах (шляхах) рослин та кровоносних судинах; вона утворює акватичні життєві простори.

Оскільки вміст СО₂ часто є фактором, що обмежує продукуючі процеси у водоймах, то вода визначає продуктивність землі.

Завдяки полярності вода є дуже добрим розчинником для багатьох груп речовин. На розчинну здатність води впливає її здатність до дисоціації:

2Н₂О = Н₃О⁺ + ОН^– (амфоліт)

Концентрація іонів гідроксонію (Н₃О⁺), а також гідроксил-іонів (ОН^–) показує наскільки кислий чи лужний розчин. Якщо Н₂О віддає протони, наприклад: H₂O + NH₃ = NH₄⁺ + OH^–.

вона вступає в хімічну реакцію як кислота (донор протонів), якщо вона приєднує протони, наприклад: Н₂О + НСІ = Н₃О⁺ + СІ^–.

вона реагує як основа (акцептор протонів); якщо молекула може вступати в реакцію як кислота і як основа, її називають амфотерною.

Вода добре розчиняє полярні речовини, а саме солі (гідрофільна дія), здебільшого з утворенням іонів, неполярні – гірше або як жири, взагалі не розчиняє (гідрофобна дія). Розчинність газів, які не вступають у хімічні реакції з водою, залежить від температури та тиску, наприклад вміст кисню в озері, як правило, збільшується зверху вниз. Для стоячих водойм має значення аномалія густини. Вода при 4^оС має найбільшу густину, за нижчої температури густина зменшується. Отже, найхолодніший шар води з температурою 0–4⁰С – на поверхні, де при подальшому охолодженні утворюється лід, який завдяки просторовій кристалічній гранці за ще меншої густини може плавати (2).

Замерзання зверху вниз дає змогу рибам у досить глибоких озерах вижити в решті води. На густину води впливають також вміст солей і тиск. Так, густіша солона вода дає змогу планктону краще триматись на плаву, ніж бідна на іони вода оліготрофних озер. Вода має велику питому темплоємність: 4,187 кДж/ (К·кг); тобто потрібно 4,187 кДж, щоб 1 кг води за нормального тиску нагріти на 1 К (=1⁰С). теплота плавлення льоду становить 333,7 кДж/кг, теплота випаровування води, яка вивільнюється як теплота конденсації у разі скраплення пари, – 2255 кДж/кг. Завдяки високій теплоємності вода може нагромаджувати великі кількості тепла і, на противагу земним умовам, створює відносно стабільний у тепловому відношенні життєвий простір.

Вода має високу густину і поверхневий натяг, які залежать від температури та тиску. Густина протидіє руху у воді й допомагає планктону триматись, не падаючи на дно. Поверхневий натяг проявляється когезійними силами між молекулами води в суміжних з повітрям областях, виникає так звана поверхнева плівка. Важливою властивістю води для біоценозів водойм є її прозорість.

Вода є життєво необхідною для процесів обміну у клітинах. Це ідеальний розчинник для органічних і неорганічних речовин. Під час розчинення солі дисоціюють на окремі іони, кислоти – лише частково. Легко розчинні у воді речовини наприклад солі, цукор, амінокислоти, яєчні білки, називають гідрофільними, речовини, які важко або зовсім не розчиняються, наприклад жири – гідрофобними.

Розчинні молекули поводять себе у воді як молекули газу, які змішуються з іншими газами. Частинки знаходяться у постійному русі (броунівський молекулярний рух). Швидкість руху залежить від надходження тепла й збільшується з підвищенням температури. Якщо в одному просторі концентрація молекул різна, то з часом ця різниця вирівнюється: більше молекул рухається від місця з більшою концентрацією до місця з меншою концентрацією. Це фізичне вирівнювання концентрацій називається дифузією й не потребує підведення тепла. Воно залежить від величини молекул, від різниці концентрацій, від перетину, через який молекули можуть переміщатись, відстані та часу. Невеликі відстані перекриваються завдяки дифузії дуже швидко, більші – повільніше. Тому дуже малі тварини (шлях дифузії <1 мм) не потребують кровоносної системи для транспортування газів чи поживних речовин. За допомогою клітинних мембран або оболонки тіла найрізноманітнішої структури та матеріалу живі організми відмежовують себе від їх оточення і підтримують постійне внутрішнє середовище. Клітинна мембрана напівпроникна, тобто вона проникна лише для певних молекул (наприклад води), а для інших непроникна (наприклад солі, цукор) (3).

Якщо два об’єми з різними концентраціями розділити напівпроникною мембраною, розрідження розчиненої речовини шляхом дифузії стане неможливим, воно може відбуватися лише через проникнення води (осмос). Завдяки, броунівському молекулярному руху об’єм з нижчою концентрацією залишає більше молекул води (гіпотонічний розчин), ніж об’єм з вищою концентрацією (гіпертонічний розчин). Внаслідок цього підвищується тиск у гіпертонічному об’ємі, який можна виміряти, наприклад через різницю висоти водяного стовпа (гідростатичний тиск). Тиск, який треба протиставити проникаючим молекулам води, поки число молекул, що входять, зрівняється з числом молекул, що виходять, є потенційним осмотичним тиском. Він вказується в паскалях. Осмос і дифузія – це пасивні процеси транспортування через мембрану, які не вимагають від організму енергії. Проте жива клітина має бути здатною регулювати свій об’єм, водневий потенціал та склад іонів, щоб забезпечити умови для діяльності ферментів. Необхідно, щоб вона могла накопичувати молекули з навколишнього середовища та виділяти отруйні речовини. Транспортування проходить через ферментні білкові молекули (переносники, або пермеази), які знаходяться у мембрані. Останні розпізнають молекули, які потрібно транспортувати, за принципом ключа та замка за формою або розподілом зарядів. Швидкість транспортування залежить від числа переносників у мембрані та від вільних місць на них. При перепаді концентрацій транспортування може проходити спонтанно (пасивне транспортування). Для вирівнювання концентрацій необхідно виконати роботу. Це транспортування потребує енергії, яку одержує у вигляді хімічної енергії, як АТФ з обміну речовин: активне транспортування. Рослини навколо своїх клітинних мембран мають еластичні стінки, які під час поглинання води вакуолями та клітиною плазмою протидіють тиску (тургорний тиск) і не дають клітині розтріскатись.

Міцності трав’янистим рослинам додає тургор, зі зменшенням сили якого вони в’януть. З в’яненням концентрація соку в клітинах, а також потенційний осмотичний тиск збільшується. Тиск на стінки зменшується або наближається до нуля. Клітина може поглинати більше води, її напруга всмоктування зростає. Кількість води, що є в осмотичних системах (наприклад, цитоплазма, вакуолярний сік, рідина тіла), за їх дією може бути ототожнена з концентрацією водяної пари в повітрі. Цей стан води Г. Вальтер назвав гідратурною. Найчастіше вона виникає у насиченому парою повітрі або чистій воді (4).

Оскільки атмосфера, як правило не насичена водяною парою, вологе тіло віддає воду в повітря. Вміст води в активній при обміні речовин плазмі коливається від 50 до 90%. Сланеві рослини (талофіти: бактерії, повітряні водорості, лишайники) одноклітинні організми, круглі черви та тихоходи, гриби, а також спори і насіння рослин поводять себе щодо водного режиму як кренобіонти без можливості регулювання. Вони перемінновологі. Вміст води в них залежить від умов навколишнього середовища. Вони мають бути здатними пережити висихання, не подаючи тривалий час ознак життя.

Види які мають власну вологу, регулюють свій водний баланс і завдяки цьому не залежать від водного режиму навколишнього середовища. Судинні рослини зі своїми вакуолями як резервуари води гомойогідридні. Для захисту від великої втрати води випаровуванням вони утворюють зовнішній покрив клітин з кутином та воском. У рослин на вологих місцях тонка кутикула також зменшує транспірацію на <10% від випаровування вільної поверхні води (хвоя <0,5, кактуси <0,05%). На противагу кутикулярному випаровуванню віддіаюча вода через продихи може регулюватися здебільшого на нижній стороні листка. Через відкриті продихи рослини випаровують значно більше води і вбирають необхідний для фотосинтезу СО₂.

Поглинання води здійснюється через коріння, звідки вода у неживих трубках клітин, ксилемах, транспортується до органів рослин. Гідрофільність залежить від площі поверхні коріння, перепадів тиску водяної пари у корінні та ґрунті (наприклад, стінка клітини, перетин ксилемних трубок). Для рослини жита обчислили загальну поверхню коріння, вона становить 400 м² в об’ємі ґрунту 56 дм³ (= 80 разів до поверхні наземної частини рослини). Потенційний осмотичний тиск більшості грунтів становить >5·10⁵ Па (степові солонці >30·10⁵, пустелі >30·10⁵ Па). Осмотичний тиск клітин коріння відрізняється залежно від місцезнаходження та виду рослини (квасоля звичайна – (2–3,5)·10⁵ Па, пеларгонія – близько 5·10⁵ Па). Рослини які потребують вологи, можуть збільшити напругу всмоктування її коріння максимально до 10·10⁵ Па, культурні рослини – (10–20)·10⁵ Па, лісові дерева приблизно до 30·10⁵ Па, галофіти – 20·10⁵ Па, рослини пустель – >100·10⁵ Па. Найбільший перепад тиску водяної пари, а також найбільші коливання мають місце на суміжній поверхні рослина/повітря. Завдяки перепаду тиску водяна пара без витрат рослиною енергії подається від ґрунту через рослину в атмосферу. Необхідну енергію для переходу води з рідкого стану в газоподібний дають сонячне випромінювання й температура навколишнього середовища. На суміжних поверхнях та частинках, що споживають воду, виникає тяга, яка на основі когезії молекул води досягає коріння. Рух води починається вранці у кроні і продовжується по стовбуру. Стовбури дерев за сильної транспірації всередині дня сухіші. Увечері та вночі втрати від транспірації знову поповнюються (5).

Вода може виділятись рослинами й у вигляді рідини, краплями (гутація), завдяки чому забезпечується поглинання поживних речовин, коли випаровування у насичених водяною парою місцях незначне.

Із основних поживних макроелементів С, О та Н поглинаються у вигляді СО₂ та Н₂О а решта лише у вигляді іонів Fе потрібний лише незначною мірою і переходить до групи поживних мікроелементів, які в зовсім малій кількості так само необхідні, як і основні поживні елементи.

Лібіх ще в 1840 році встановив, що речовина, яка є в мізерній кількості, визначає ріст (здебільшого N, Р та К): закон мінімуму. Лише 0,2% запасу поживних речовин знаходяться у ґрунті в розчиненому стані, 2% адсорбуються на поверхні і близько 98% міцно зв’язані у гумінованих речовинах або мінералах. Іони поживних речовин, які абсорбуються на поверхні, можуть обмінюватись на іони Н⁺ або НСО₃^–, які віддає коріння рослин. Частина міцно зв’язаних іонів поживних речовин може бути розчинена іонами Н⁺ або органічними кислотами. Поглинання поживних речовин відбувається двома шляхами. В процесі дифузії або з пасивно проникаючою водою іони потрапляють у стінки клітин та в міжклітинні простори кори коріння до поясків Каспарі в ендодермі (апоплазматичне транспортування). Стінки клітин на цьому місці внаслідок відкладення кутинів непрозорі, тому подальше проникнення блокується. Зрештою, саме там іони поживних речовин мають надходити в плазму клітини через клітинну мембрану (селекція). Це відбувається за допомогою енергоспоживаючого активного транспортування. Симплазматичне транспортування здійснюється через цитоплазму до ксилемних тканин. Поживні солі розподіляються транспіраційним потоком по рослині (6).

1.2 Характеристика водних ресурсів Землі та України

Запаси води на Землі величезні – 1,39·10⁹ км³, що становить 0,023% усієї маси Землі, проте абсолютна більшість цієї колосальної маси – це гіркувато-солона морська вода, непридатна для пиття та технічного використання. Маса прісної води на планеті – 35·10⁶ км³ (усього 2% її загальної кількості). Основна кількість (75%) прісної води зосереджена в льодових щитах Антарктиди й Гренландії, гірських льодовиках, айсбергах, у зоні вічної мерзлоти. Із всієї кількості прісної води лише 0,6-1% перебуває в рідкому стані (річки, прісноводні озера, частина підземних вод) (7). Саме ця вода й використовується людством для своїх численних потреб. Слід зазначити, що 20% усієї прісної рідкої води Землі зосереджено в такому унікальному водному басейні, яким є сибірське озеро Байкал. Та найбільші запаси води на Землі зосереджені в її надрах у зв’язаному вигляді (в складні мінералів). За даними В. Вернадського, в земній корі в зв’язаному стані міститься щонайменше 1,3 млрд. км³ води, тобто приблизно стільки ж, як у Світовому океані (табл. 1.1) (8).

Вода виконує дуже важливі екологічні функції:

1) це головна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70% складається з води, а деякі організми, такі, як медуза чи огірок, містять у собі від 98 до 99% води);

2) основний механізм здійснення взаємозв’язків усіх процесів у екосистемах (обмін речовин, тепла, ріст біомаси);

3) головний агент-переносник глобальних біоенергетичних екологічних циклів;

4) води Світового океану є основним кліматоутворюючим фактором, основним акумулятором сонячної енергії і “кухнею» погоди для всієї планети;

Таблиця 1.1. Розподіл водних ресурсів землі за їх місцезнаходженням