Кратко и по существу — три блока: последовательность биогеохимических процессов при поступлении нитратов и фосфатов, влияние на биоразнообразие и практические меры снижения риска.
1) Последовательность биогеохимических процессов
- Ввод питательных веществ (точечные стоки, сельхозстоки, дренажи, атмосферное выпадение) повышает доступные формы N и P в фотозоне → стимулирует первичную продуктивность (цветение фитопланктона, в т.ч. цианобактерий).
- Фотосинтез/ассимиляция: органическое вещество накапливается. При отмираниях органики идёт минерализация: окисление органического углерода, потребляющее O2, например
$$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}.$$ - Нитрификация в аэробных зонах превращает аммоний в нитраты:
$$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}+1.5{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2{\mathrm{H}}^{+},$$ $$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2^{-}+0.5{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}.$$ - При дефиците O2 (стратификация, повышенная биологическая нагрузка) развивается гипоксия/аноксия; в анаэробных условиях идёт денитрификация (частичное восстановление N в газовую форму):
$$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3^{-}\to {\mathrm{N}}_2(\text{газы}).$$ эффективность денитрификации зависит от органического субстрата и зон анаэробии.
- Важный механизм — внутреннее рессуспендирование фосфора: при восстановлении Fe(III) до Fe(II) фосфат, ранее адсорбированный на железных оксидах, высвобождается в воду (увеличение доступного P) — это поддерживает цветение даже при снижении внешнего ввода P.
- Соотношение N:P определяет состав водорослей; классический ориентир (атомный) — Redfield:
$$\mathrm{N}:\mathrm{P}\approx 16:1.$$ В пресных системах чаще ограничивающим является фосфор, поэтому добавление P особенно критично.
2) Влияние на биоразнообразие и экосистемные функции
- Доминирование микроводорослей и цианобактерий → снижение прозрачности, блокирование света, гибель подводных макрофитов.
- Сдвиг сообщества: потеря эктосомных водных растений, увеличение доминирования толерантных видов (цианобактерии, мелкие флагелляты).
- Гипоксия/аноксия вблизи дна → гибель бентических беспозвоночных и рыб (массовые заморы).
- Токсичность: некоторые цианобактерии вырабатывают токсины (микотоксины, микрокистины) — угроза для животных и людей.
- Нарушение пищевых цепей, уменьшение биологического разнообразия, ухудшение экосервисов (водоснабжение, рекреация, рыболовство).
3) Научно обоснованные меры по снижению риска (внешние и внутрисистемные)
- Снижение внешних поступлений (приоритет):
- Агроуправление: 4R‑подход (right source, rate, time, place), минимизация избыточной дозы удобрений, точное внесение, учёт потребностей культуры; сплошные и временные покровные культуры; минимальная обработка почвы.
- Контроль поверхностного стока: буферные полосы прибрежной растительности шириной примерно $5-30\mathrm{m}$ в зависимости от ландшафта; полосы задержки осадка и фосфора.
- Снижение потерь через дренаж: контролируемый дренаж, биореакторы (щепа) для денитрификации нитратов.
- Сточные воды: модернизация очистки до третичной ступени с удалением N и P (биологическая удаление N + химическое осаждение P, например с солью алюминия/железа):
$$\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}+\mathrm{P}{\mathrm{O}}_4^{3-}\to \mathrm{AlP}{\mathrm{O}}_4\downarrow .$$ - Септики: регулярное обслуживание и модернизация.
- Внутриводные меры (при существующей эвтрофикации):
- Снижение внутренней загрузки P: алюминиевые (или железные) обработки осадка для фиксации фосфата; седиментация/дренаж донных отложений, локальное укрытие (кейпинг).
- Аэрация/гиполимнитная оксигенация для предотвращения редукции Fe и высвобождения P; но аэрация может иметь побочные эффекты — требуется оценка.
- Конструктивные меры: пруды-отстойники, искусственные поверхности для осаждения взвеси, созданные влажные зоны/лаврационные полосы.
- Биометоды: биomanipulation — регулирование сообществ рыб (уменьшение популяций растительноядных/планктоновых рыб, восстановление хищников) для усиления топ‑даун контроля за фитопланктоном; высаживание макрофитов для конкуренции за питательные вещества.
- Мониторинг и управление по целям: регулярный контроль TN, TP, нитратов, хлорофилл‑a и прозрачности (Secchi). Примеры порогов (ориентиры): общ. фосфор (TP) для пресных вод — олиготрофия $\mathrm{TP}<0.01mg/L$, мезотрофия $0.01-0.03mg/L$, евтрофия $>0.03mg/L$ (зависит от конкретного водоёма).
- Интегрированный подход: сочетание снижения внешних поступлений, управления внутренним источником и восстановления сообщества; адаптивное управление с учётом гидрологии и басейновых характеристик.
Коротко: главные драйверы — избыточные P и N → повышенная первичная продукция → накопление органики → потребление O2 при разложении → гипоксия/аноксия и высвобождение связанного P, что усиливает цикл. Эффективная стратегия — прежде всего снижать внешние нагрузки (агрономия, очистка стоков, буферы), дополнительно применять целевые внутренние методы (алюминирование, аэрация, биореакторы, биomanipulation) и постоянный мониторинг.