ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЗЕРАХ
Хотя химический состав озера важен для всех организмов, о чем свидетельствуют, например, специализированные виды растений и животных, обитающие в соленых озерах, именно растения, осуществляющие фотосинтез, сильнее всего влияют на химизм озерных вод. В процессе фотосинтеза солнечная энергия используется для превращения углекислоты и воды в углеводороды и кислород. При этом помимо диоксида углерода и воды в фотосинтезе участвуют еще 18–20 химических элементов, и уменьшение содержания любого из них ниже оптимальной потребности существенно замедляет процесс фотосинтеза. Эта т.н. гипотеза лимитирующей роли питательных элементов, выдвинутая в середине 19 в. Юстусом Либихом, до сих пор используется при характеристике водных экосистем. В пресных водоемах большинство питательных элементов присутствует в количествах, превышающих потребность в них, однако два из них – азот и фосфор – относительно редки. Именно эти элементы, порознь или совместно, лимитируют процесс фотосинтеза, или первичную продукцию. Более того, поскольку некоторые синезеленые водоросли способны связывать атмосферный азот, превращая его в аммоний и используя в процессе фотосинтеза, а фосфор не имеет такого источника, то последний становится наиболее важным лимитирующим элементом. В результате многие существенные характеристики озер, как, например, суммарный прирост первичной продукции или обилие водорослей, находятся в прямой зависимости от содержания фосфора в озерах. Поэтому озера классифицируют по этому показателю. Выделяются олиготрофные озера (с низким содержанием питательных веществ), мезотрофные (со средним содержанием) и эвтрофные озера (с высоким содержанием питательных веществ).Эпилимнион почти всегда насыщен растворенным кислородом, образующимся здесь в процессе фотосинтеза, а также захваченным из пограничного слоя атмосферы при циркуляции воды. В то же время все прочие элементы, необходимые для фотосинтеза и роста, извлекаются из воды водорослями, и химизм вод эпилимниона подвергается соответствующим изменениям. Одновременно эпилимнион производит много органического детрита, состоящего из отмерших фрагментов водорослей, опускающегося в гиполимнион. Там растворенный кислород затрачивается на дыхание и разложение, и многие неорганические вещества возвращаются в воду. Таким образом, в стратифицированном озере первоначально однородная водная масса подразделяется на два четко различающихся слоя: верхний, более теплый, с дефицитом доступных питательных элементов, и нижний, более холодный, с более высокой концентрацией питательных элементов. В условиях умеренного климата это разделение имеет место и зимой и летом, хотя зимой оно менее выражено, поскольку подо льдом из-за меньшего доступа света значительно снижается уровень первичной продукции вод. В нестратифицированных озерах сезонные изменения происходят во всей водной толще.
Во многих озерах, богатых питательными элементами, фотосинтез протекает настолько интенсивно, что растворенный кислород оказывается полностью израсходованным непосредственно у поверхности донных отложений. В этом случае наблюдаются еще более значительные изменения химического состава воды. На поверхности раздела донных осадков и воды содержащие кислород нерастворимые соединения железа теряют кислород и становятся растворимыми, в результате чего большое количество железа, марганца, фосфора и азота поступает в воду. Этот процесс называется внутренней эвтрофикацией, так как в некоторых озерах в результате ветрового перемешивания или влияния внутренних сейш высвободившиеся из осадков питательные элементы попадают в верхний слой воды, повышая таким образом трофический уровень озера. В районах умеренного климата в период весеннего и осеннего перемешивания вод поверхностный слой осадков вновь поглощает кислород, все различия в химическом составе воды по глубине исчезают, и водная масса вновь становится химически однородной.
ОЗЕРНЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Озерные отложения, которые играют важную роль в химизме озер, большей частью образуются в самих озерах. Обычно они состоят из полуразложившихся остатков водорослей, зоопланктона и более крупных организмов и в озерах, сформировавшихся примерно 10 тыс. лет назад, могут достигать большой мощности (ок. 20 м). Изучение колонок озерных отложений показывает, что концентрация бактерий в них очень велика, особенно на контакте донных осадков и воды. Такая же закономерность прослеживается и в концентрации разных химических веществ, например фосфора и аммония. Поскольку озерные отложения обычно холодные и бедны кислородом, в них прекрасно сохраняются свидетельства состояния озера в прошлом, что находит отражение либо в составе и количестве специфических пигментов водорослей, либо в составе поддающихся определению остатков наиболее устойчивых к разложению частей организмов.Для определения возраста отдельных слоев озерных отложений были разработаны различные методы. Среди них – методы, основанные на использовании естественных радиоактивных изотопов свинца 210Pb и углерода 14С; корреляция маркирующих горизонтов в осадках, например пеплов, с историческими данными об извержениях близлежащих вулканов. Изучение отложений позволяет воссоздать детальную картину смены обстановок в данном озере. Кроме того, поскольку озерные осадки накапливают информацию о природных обстановках всего водосборного бассейна, в них запечатлены и климатические изменения прошлого. Например, изучение состава пыльцы растений в колонке озерных отложений позволяет установить, какие наземные растения были распространены на определенных этапах геологической истории, а учет современных экологических требований этих видов растений – определить, какими были в то время температуры и влажность.
ПРОБЛЕМЫ СОСТОЯНИЯ ОЗЕР
Озера являются экосистемами, в которых все компоненты взаимосвязаны. При отсутствии внешних воздействий озера достигают некоторого состояния равновесия с окружающей средой, что со временем приводит к более или менее стабильному положению, когда организмы, обитающие в озерах, приспосабливаются к существующим условиям. Однако озера редко пребывают в равновесном состоянии. Напротив, они часто используются как источники воды для орошения, питьевой воды, для сельскохозяйственных нужд или же для сброса таких продуктов современной цивилизации, как сточные воды предприятий, ливневые и сельскохозяйственные стоки. Озера загрязняются все возрастающим количеством пестицидов, гербицидов и попадающих в воду из воздуха органических соединений, таких, как полихлорированные бифенилы, а также кислотными дождями, образующимися в результате выбросов загрязняющих веществ двигателями автомобилей и тепловыми электростанциями. В них проникают чуждые им виды растений и животных, заносимые рыбаками на днищах судов и иными случайными способами. Угрожающие размеры принимает эвтрофикация, или избыточное обогащение озер питательными веществами из антропогенных источников, которое наносит значительный экологический ущерб. В некоторых случаях большие, имеющие хозяйственное значение озера находятся даже под угрозой полного исчезновения. Так, например, объем воды в Аральском море (крупном соленом озере) сократился в настоящее время вдвое вследствие разбора на орошение вод впадающих в него Амударьи и Сырдарьи. В результате его соленость возросла почти в три раза (с 9,6–10,3‰ до 27–30‰). Обнажившиеся участки морского дна развеваются пыльными бурями, что приводит к выносу солей и пестицидов и осаждению их в пределах близлежащих заселенных территорий. Загрязнение озер – очень серьезная проблема. Например, чтобы снизить эвтрофикацию водоемов, во многих странах приняты законы по ограничению концентрации фосфора в водах, прошедших через очистные станции и которые могут попасть в озера. Сформировалась целая наука о восстановлении озер, базирующаяся главным образом на эмпирических соотношениях, связывающих такие показатели, как обилие водорослей и прозрачность воды, с концентрациями фосфора в озерных водах. В некоторых регионах регулируется забор воды из озер. Тщательно изучается применение пестицидов.КРУПНЕЙШИЕ ОЗЕРА МИРА
| Озеро | Площадь,тыс. км2 |
| Каспийское море (Азия – Европа), соленое | 371,0* |
| Верхнее (США – Канада) | 82,1 |
| Виктория (Кения, Танзания, Уганда) | 69,4 |
| Гурон (США – Канада) | 59,6 |
| Мичиган (США) | 57,8 |
| Аральское море (Казахстан – Узбекистан), соленое | 36,5* |
| Танганьика (ДРК, Бурунди, Танзания, Замбия) | 32,9 |
| Байкал (Россия) | 31,5 |
| Большое Медвежье (Канада) | 31,3 |
| Ньяса (Малави, Танзания, Мозамбик) | 29,0 |
| Большое Невольничье (Канада) | 28,5 |
| Эри (США – Канада) | 25,6 |
| Виннипег (Канада) | 24,3 |
| Балхаш (Казахстан), соленое | 22,0* |
| Онтарио (США – Канада) | 19,7 |
| Ладожское (Россия) | 17,7 |
| Чад (Нигер, Чад, Камерун, Нигерия), солоноватое | 16,3* |
| Маракайбо (Венесуэлла) | 13,5 |
| Онежское (Россия) | 9,7 |
| Эйр (Австралия), соленое | 9,3* |
| Вольта (Гана) | 8,5 |
| Титикака (Перу – Боливия) | 8,3 |
| Никарагуа (Никарагуа) | 8,0 |
| Атабаска (Канада) | 8,0 |
| Оленье (Канада) | 6,7 |
| Рудольф (Кения – Эфиопия), соленое | 6,5 |
| Иссык-Куль (Киргизия), солоноватое | 6,2 |
| Кокунор (Цинхай) (Китай), соленое | 5,7* |
| Торренс (Австралия), соленое | 5,7* |
| Венерн (Швеция) | 5,7 |
| Альберт (ДРК – Уганда) | 5,6 |
| Неттиллинг (Канада) | 5,4 |
| Виннипегосис (Канада) | 5,39 |
| Кариба (Замбия – Зимбабве) | 5,31 |
| Нипигон (Канада) | 4,9 |
| Гэрднер (Австралия), соленое | 4,77* |
| Урмия (Иран), соленое | 4,69 |
| Манитоба (Канада) | 4,66 |
| Лесное (США – Канада) | 4,47 |
