Эйхорния — теплолюбивое растение. По этой причине она не может быть использована для очистки водоемов в средних и северных широтах. С этой целью в нашей стране, а также в некоторых других странах в последние годы стали употреблять хорошо известные всем тростник, камыш, рогоз, образующие мощные, устойчивые сообщества. Проходя через заросли этих растений, сточные воды в значительной степени освобождаются от балластных и токсических веществ. У рогоза этому способствует строение корневой системы, отходящей от горизонтально ориентированного корневища вверх и вниз. Первые разветвляются в воде, а вторые пронизывают дно водоема. Благодаря этому рогоз успешно очищает от загрязнений воду и дно.
В настоящее время указанные растения используются в Донбассе для очистки шахтных вод. При этом стоки поступают в водоемы шахтного отлива, занимающие большие пространства. Наиболее распространенными макрофитами здесь являются тростник обыкновенный, камыш озерный, рогоз узколистный, широколистный и Лаксмана, а также некоторые другие растения. Сформировавшиеся в прудах-накопителях растительные сообщества снижают содержание взвешенных частиц на 90 %, а количество солей — на 25–30 %.
Отмеченные выше растения нашли применение не только в Донбассе, но и в других местах. Специальные ботанические площадки для очистки шахтных вод с помощью растений созданы в Подмосковном угольном бассейне (Новомосковск). А в г. Волжском Волгоградской области стали пропускать по специальным каналам, засаженным водными макрофитами, стоки химических предприятий.
Эксперименты подобного рода проводятся и в других странах. Выше мы отмечали сильную загрязненность вод Рейна. Когда рейнскую воду пропустили через 800-метровый канал, засаженный камышом, то на выходе был получен чистый поток.
Следует заметить, что воду очищают не только те растения, которые непосредственно произрастают в воде. Оказалось, что лес надежно предохраняет воду наземных источников от загрязнения вредными веществами. Мутность водного потока после прохождения через лесную полосу шириной 30 м уменьшилась в 100–150 раз. С уничтожением леса на водосборах и в прибрежной зоне загрязненность воды в реке увеличивается в 8—10 раз.
С развитием промышленности, ростом городов и повышением уровня их благоустройства объем сточных вод и, следовательно, осадка, получаемого при их очистке, с каждым годом возрастает. В связи с этим возникла проблема утилизации этого продукта цивилизации. Ведь скопление большого количества осадков затрудняет работу очистных сооружений и создает угрозу вторичного загрязнения окружающей среды. Ученые пришли к заключению, что получаемый при очистке стоков осадок целесообразно использовать в качестве удобрений сельскохозяйственных культур, так как он содержит в своем составе значительное количество органических веществ и питательных элементов (Покровская, Гладкова, 1977). Особенно эффективно его использование на бедных почвах, а также на участках, нарушенных добычей полезных ископаемых. Таким образом, растения и в этом отношении играют важную роль.
Загрязнение водоемов органическими веществами представляет собой крайне неприятное явление, поскольку ведет к истощению запасов водного кислорода, расходующегося на окисление органики. Благодаря фотосинтезу населяющих водоемы растений в водную среду поступает свободный кислород, ускоряющий процессы окисления органических веществ. Но дело не только в этом. Обитатели водоемов обладают способностью непосредственно поглощать органические вещества и разрушать их. В качестве примера рассмотрим превращение ими фенола, одного из наиболее часто встречающихся и опасных загрязнителей водоемов.
Уже давно известно, что некоторые микроорганизмы, например бактерии из рода Pseudomonas, осуществляют окисление фенолов. Это обстоятельство широко используется для очистки от фенольных загрязнений промышленных и бытовых стоков самого разнообразного происхождения. Фенол активно поглощается из воды водными растениями. Если воду с растворенным в ней фенолом пропустить через «сито» из тростника, то содержание фенола в ней значительно уменьшится. За 8 дней тростник удаляет из каждого литра воды 10 мг фенола. Камыш также обладает способностью очищать воду от этого загрязнителя. 300 г биомассы камыша освобождают от фенола 5 л раствора концентрации 10 мг/л за 4 дня, 40 мг/л — за 12 дней, 100 мг/л — за 29 дней. В настоящее время сооружаются водоемы, в которых будут высажены тростник и камыш для очистки воды от фенола.
Фенол не только поглощается из воды растениями, но и подвергается детоксикации. Некоторая часть этого соединения, не включенная растениями в обмен веществ, выделяется в атмосферу через устьица.
Помимо фенола водные растения поглощают и обезвреживают и другие органические вещества, присутствующие в воде: индол, ксилол, пирокатехин, резорцин, пиридин. Особо следует остановиться на роли растений в освобождении водной среды от нефти и нефтепродуктов.
Наличие на поверхности воды пленки нефти резко снижает способность водоемов к самоочищению, поскольку эта пленка препятствует поступлению в воду атмосферного кислорода. В этом случае в водоеме создаются анаэробные условия, которые иногда способствуют еще большему повышению содержания в воде вредных веществ.
Разрушение нефти в водоеме происходит в результате самоочищения воды с помощью микроорганизмов. Там, где вода загрязнена нефтью, всегда обнаруживаются микроорганизмы, окисляющие керосин, соляровое масло, парафин и нафталин. Исследования, проведенные Арктической экспедицией МГУ в 1974 г., показали наличие нефтеокисляющей микрофлоры во всех пробах воды, взятых на трассе Северного морского пути. Количество нефтеокисляющих бактерий в поверхностном слое морской воды довольно велико и составляет 1500–7000 клеток в 1 мл. С увеличением глубины содержание микроорганизмов падало. Исследователи выделили большое количество чистых культур нефтеокисляющих микроорганизмов. Они хорошо росли на средах, содержащих в качестве единственного органического вещества дизельное топливо или сырую нефть. Микроорганизмы, окисляющие нефть, выделены также из воды и грунтов Каспийского моря, из вод р. Енисея.
Высшие растения также принимают участие в очищении водоемов от нефти. Установлено, что при концентрации нефти 1 г/л пленка на поверхности воды исчезала в присутствии высших растений через 5—10 дней, тогда как без них — через 28–32 дня. Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению тростник, рогоз узколистный и камыш озерный. Причем прирост растений в высоту в присутствии нефти был на 10–15 см больше, чем в варианте без нефти (Кроткевич, 1982).
Тростник обыкновенный хорошо поглощает из воды ДДТ. Правда, при концентрации 2 мг/л этот пестицид подавляет процесс фотосинтеза на 30–36 %. Еще более сильное ингибирующее влияние оказывает на процесс фотосинтеза тростника гексахлоран. Он ослаблял интенсивность этого процесса на 47 %.
В США проведены эксперименты по очистке водоемов от гербицидов. Для этой цели использовались водяной гиацинт, уруть, рдест, а также зеленые водоросли.
Попадание пестицидов в водоемы происходит, в частности, в результате смыва их с полей осадками. Оказалось, что лесные насаждения, расположенные по берегам водоемов, интенсивно поглощают из поверхностных стоков эти вещества. Наилучшими показателями в этом отношении характеризуются сосновый и кленово-липовый лес.
Пятидесятиметровая полоса такого леса значительно снижает содержание в поверхностных стоках гексахлорциклогексана и хлорофоса.
Одним из элементов естественной деградации канцерогенных полициклических ароматических углеводородов является их превращение с помощью живых организмов. В частности, в их разрушении участвуют микроорганизмы почвы и водоемов. Интенсивность и характер разложения бенз(а)пирена зависит от вида используемых для этой цели бактерий, а также от степени загрязненности почвы и воды данным канцерогеном.
Аналогичные превращения происходят с этим соединением в сточных водах нефтеперерабатывающих заводов, тепловых электростанций и в бытовых стоках. В этих условиях действуют те же культуры бактерий. Процесс может быть интенсифицирован при использовании культур, обладающих наибольшей активностью при очищении от канцерогенов почвы.
Одним из загрязнителей водоемов, как мы уже отмечали, являются удобрения. Крупные макрофиты (тростник, рогоз, камыш, аир, ежеголовник и др.) способны извлекать из воды в больших количествах биогенные элементы — азот, фосфор, калий, кальций, серу, железо и тем самым предупреждать и снижать степень евтрофикации водоемов. Например, густые заросли тростника, по данным П. Г. Кроткевича (1982), могут аккумулировать в урожае биомассы на 1 га до 6 т различных минеральных веществ, в том числе калия — 859, азота — 167, фосфора — 122, натрия — 451, серы — 277 и кремния — 3672 кг. К концу вегетации азот, фосфор, калий и другие элементы частично мигрируют из надземных в подземные органы растений, где они аккумулируются. Накопление биогенных элементов в подземных корневищах имеет важное значение в очищении воды от этих загрязнителей.
Тростник обыкновенный, рогоз узколистный и широколистный интенсивно поглощают как нитратный, так и аммонийный азот. Таким образом, заросли тростника и других макрофитов обладают способностью к деминерализации воды, что имеет очень важное значение для человека.
Огромное количество питательных веществ содержат стоки животноводческих помещений. В 1975 г. стоки от всех крупных животноводческих ферм страны содержали 2,2 млн т азота, 1 млн т фосфора, 2 млн т калия.
Ученые Кишиневского университета пришли к заключению, что многие водные растения способны обеззараживать стоки животноводческих ферм. Предварительно разбавив чистой водой пруды, они поселили в них ряску и роголистник. Эти растения активно поглощали из воды соединения азота и фосфора, являющиеся основными загрязнителями стоков животноводческих помещений. Очищенная таким образом вода используется затем для орошения полей.