Фізичні механізми самоочищення. Газообмін на межі розділу „атмосфера-вода”. Завдяки цьому процесу здійснюється надходження у водний об'єкт речовин, що мають резервний фонд в атмосфері, і повернення цих речовин з водного об'єкта в резервний фонд. Одним з важливих окремих випадків газообміну є процес атмосферної реаерації, завдяки якому відбувається надходження у водний об'єкт значної частини кисню. Інтенсивність і напрямок газообміну визначаються відхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення. Величина концентрації насичення залежить від природи речовини і фізичних умов у водному об'єкті - температури і тиску. При високих концентраціях, газ піднімається в атмосферу, а при низьких концентраціях, газ поглинається водною масою.
Сорбція - поглинання домішок зваженими речовинами, донними відкладеннями і поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільше енергійно сорбуються колоїдні частки й органічні речовини, що знаходяться в недисоційованому молекулярному стані. В основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкість нагромадження речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченості по даній речовині і концентрації речовини у воді і обернено пропорційна вмісту речовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, підданих сорбції, є важкі метали і СПАВ.
Осадження і збовтування. Водні об'єкти завжди містять деяка кількість зважених речовин неорганічного й органічного походження. Осадження характеризується здатністю зважених часток випадати на дно під дією сили тяжіння. Процес переходу часток з донних відкладень у зважений стан називається збовтуванням. Він відбувається під дією вертикальної складової швидкості турбулентного потоку.
Хімічні механізми самоочищення. Фотоліз - перетворення молекул речовини під дією світла, яке поглинається ними. Окремими випадками фотолізу є фотохімічна дисоціація - розпад часток на більш прості і фотоіонізація - перетворення молекул в іони. З загальної кількості сонячної радіації порядку 1 % використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відбивається водною поверхнею. Основна ж частина сонячної енергії перетворюється в тепло і бере участь у фотохімічних реакціях. Найбільш діючою частиною сонячного світла є ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається в шарі воді товщиною порядку 10 см, однак завдяки турбулентному перемішуванню може проникати й у більш глибокі шари водних об'єктів. Кількість речовини, які піддаються дії фотолізу, залежить від виду речовини і його концентрації у воді. З речовин, що надходять у водні об'єкти, відносно швидкому фотохімічному розкладанню піддаються гумусні речовини [18].
Гідроліз - реакція іонного обміну між різними речовинами і водою. Гідроліз є одним з ведучих факторів хімічного перетворення речовин у водних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу, під якою розуміють відношення гідролізованої частини молекул до загальної концентрації солі. Для більшості солей вона складає кілька відсотків і підвищується зі збільшенням розведення і температури води. Гідролізу піддаються й органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплення найчастіше відбувається по зв'язку атома вуглецю з іншими атомами.
Біохімічне самоочищення є наслідком трансформації речовин, здійснюваної гідробіонтами. Як правило, біохімічні механізми вносять основний вклад у процес самоочищення і тільки при пригніченні водних організмів (наприклад, під дією токсикантів) більш істотну роль починають відігравати фізико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається в результаті їх включення в трофічні мережі і здійснюється в ході процесів продукції і деструкції.
Особливо важливу роль відіграє первинна продукція, тому що вона визначає більшість внутрішньо-водоймових процесів. Основним механізмом новотворення органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистем ключових первинних продуцентів є фітопланктон. У процесі фотосинтезу енергія Сонця безпосередньо трансформується в біомасу. Побічним продуктом цієї реакції є вільний кисень, утворений за рахунок фотолізу води. Поряд з фотосинтезом у рослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.
Автотрофна продукція і гетеротрофна деструкція - дві найважливіші сторони перетворення речовини й енергії у водних екосистемах. Характер і інтенсивність продукційно-деструкційних процесів і, отже, механізм біохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Тому вони можуть істотно розрізнятися в різних водних об'єктах.
У водотоках у силу інтенсивного перемішування і невеликих глибин вертикальна зональність не виражена. По живому перетині потоку розрізняють рипаль - прибережну зону і медіаль - відкриту зону, що відповідає стержню річки. Для рипалі характерні невисокі швидкості течії, зарослі макрофітів, високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медіалі швидкості руху води вищі, кількісний розвиток гідробіонтів нижчий. За подовжнім профем розрізняють зони плесів і зони перекатів. У зоні плесів, що характеризуються уповільненими течіями, кількісно багатше видове різноманіття, але якісно бідніше. Для перекатів характерна зворотна картина. Комплекси екологічних умов позначаються на процесах самоочищення у водотоках. Для уповільнених течій характерні сприятливі умови для фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформації речовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерні інтенсивні процеси перемішування, газообміну і деструкції речовин.
У водоймах екологічна зональність виявляється чіткіше, ніж у водотоках. У водоймах по горизонтальному профілю виділяють літораль - зону прибережних мілководь і пелагіаль (лімнічна зона) - зону відкритої води. У глибоких водоймах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони - епілімніон, металімніон і гіполімніон. Металимніон, або термоклин, є зоною, що розділяє епілимніон і гіполимніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градус на 1 м глибини). Вище металимніону розташований епілимніон. Для епілимніону характерна перевага продукційних процесів. Зі збільшенням глибини, у міру зниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшення інтенсивності фотосинтезу. Глибина, при якій продукція стає рівна деструкції, називається компенсаційним обрієм. Вище його розташовується трофогенна зона, де переважають продукційні процеси, а нижче - трофолітична, де переважають процеси дихання і розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілимніоні, а трофолітична, як правило, охоплює металімніон і гіполімніон [18].
У придонній зоні водойм, крім літоралі, виділяють профундаль - глибоководну частину, що приблизно збігається з частиною ложа водойми, заповненого водами гіполімніону.
Евтрофування, під яким розуміють гіперпродукцію органічної речовини у водному об'єкті під дією зовнішніх (алохтонних) і внутрішньо-водоймних (автохтонних) факторів, є однієї із серйозних екологічних проблем, з яким зіштовхуються майже всі країни. Евтрофуванню піддані практично будь-які водні об'єкти, однак найбільше яскраво воно виявляється у водоймах. Евтрофування водойм є природним процесом, його розвиток оцінюється геологічним масштабом часу. У результаті антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єкти відбулося різке прискорення евтрофування. Підсумком цього процесу, названого антропогенним евтрофуванням, є зменшення тимчасового масштабу евтрофування від тисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофування протікають на урбанізованих територіях, властивим міським водним об'єктам.
Трофність водного об'єкта відповідає рівню надходження органічної речовини або рівнюі його продукування в одиницю часу і, таким чином, є вираженням спільної дії органічної речовини, яка утворилась при фотосинтезі і надійшла ззовні. За рівнем трофності виділяють два крайніх типи водних об'єктів - оліготрофні і евтрофні.
Основним механізмом природного процесу евтрофікації є замулювання водойм. Антропогенна евтрофікація відбувається внаслідок надходження у воду надлишкової кількості біогенних елементів, як результат господарської діяльності. Високий вміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукцію органічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води внаслідок надмірного розвитку аль-гофлори. Серед біогенних елементів, що надходять у воду, найбільший вплив на процеси евтрофікація створюють азот і фосфор, оскільки їх вміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування. Інші біогенні елементи, як правило, утримуються у воді в достатніх кількостях і не створюють впливу на процеси евтрофікації. Для озер елементом, що лімітує, найбільше часто є фосфор, а для водотоків - азот.
Віднесення водного об'єкта до визначеного рівня трофності здійснюється за надходженням органічної речовини. Найбільше часто в сучасній практиці як індикатори використовують величини надходження біогенних речовин, концентрації біогенних речовин у водному об'єкті, швидкість виснаження кисню в гіполімніоні, прозорість води, біомасу фітопланктону. Фітопланктон є основним первинним продуцентом у більшості водних екосистем. Тому екологічний стан більшості водойм визначається фітопланктоном і залежить від ряду фізичних, хімічних і біологічних факторів середовища існування [18].
Фізичні фактори евтрофікації. Освітленість. Проникнення світла в товщу води визначається рядом факторів (рис. 1). Падаюче світло поглинається самою водою і розчиненими в ній забарвленими речовинами, розсіюється зваженими речовинами, що є у воді. Глибина, на якій освітленість складає 5% від освітленості на поверхні, називається евфотним горизонтом. Вище евфотного горизонту розташовується евфотна зона. Зміна первинної продукції з глибиною залежить від зміни освітленості. У літні місяці можливий зсув максимуму продуктивності в глибину. Це пояснюється надлишковою освітленістю на поверхні, що приводить до гноблення фітопланктону, унаслідок чого найкращі умови для його існування створюються в більш глибоких шарах.