Мы публикуе статью специалиста по водной экологии, профессора-исследователь в Центре морских наук Университета Северной Каролины в Уилмингтоне Майкла Моллина, любезно предоставленную редакцией журнала "В мире науки". Статья выйдет в № 8 за 2006 год.
За последние годы миллионы американцев переехали в прибрежные районы, привлеченные целебным климатом, возможностями разнообразного отдыха и красотами здешней природы. Но, к сожалению, все большее число пляжей загрязняется болезнетворными микроорганизмами из фекалий человека и животных.
Чрезмерно высокая концентрация фекальных бактерий в воде вызывает заболевания печени, респираторные инфекции и желудочно-кишечные расстройства, характерные для стран третьего мира. Но почему в прибрежных зонах благополучной и богатой страны появились болезни, порождаемые антисанитарией и бедностью?
В докладе «Тенденции развития побережий» (2004 г.) Национальное управление по освоению океана и атмосферы (NOAA) отметило, что 53% населения страны живут в округах, граничащих с морским побережьем или с берегами Великих озер, которые составляют лишь 17% общей материковой части территории США. Более того, ожидается, что к 2008 г. еще 7 млн. человек присоединится к населению прибрежных зон, к которому каждый сезон добавляются еще отдыхающие. Огромные территории превращаются в курорты, жилые районы, торговые центры, офисные комплексы и промышленные зоны. Строители осушают заболоченные территории и заковывают землю в асфальт и бетон, возводя автомобильные стоянки, дороги, тротуары и строительные площадки, где земля утрамбовывается тяжелой строительной техникой. Когда идет дождь, потоки воды текут по водонепроницаемым поверхностям, смывают фекалии животных и другую грязь и сносят их в дренажные канавы или в ливнестоки, многие из которых изливаются непосредственно в городские водоемы, прибрежные речки или вблизи пляжей. В то время как канализационные стоки, проходя через очистные сооружения, освобождаются от опасных бактерий и других загрязнений, стоки ливневых вод, так называемые распределенные источники загрязнения, никак не обрабатываются. Однако поскольку они собираются с обширных территорий, в них попадают не только удобрения, пестициды, тяжелые металлы и нефтепродукты, но и болезнетворные микроорганизмы (фекальные бактерии, вирусы и простейшие). Например, в одном грамме собачьих фекалий содержится около 23 млн. бактерий чтобы вызвать заболевание, достаточно всего десяти особо опасных бактерий.)
Как в городах, так и за их пределами в воду постоянно попадают экскременты домашних и диких животных. Там, где земля богата растительностью, дождевая вода проходит сквозь почву, которая очищает ее от многих загрязнений. Водонепроницаемые же поверхности в сухую погоду накапливают грязь, которая во время дождя смывается и затем попадает в реки, озера, океаны и т.д.
На побережьях микробами загрязняются территории для отдыха людей и моллюсковые фермы. По характеру своего питания моллюски относятся к фильтраторам: они пропускают через свое тело огромные массы морской воды, извлекая из нее как пищевые частицы, так и потенциально опасные микроорганизмы. Поэтому человек, съевший сырых моллюсков, извлеченных из воды, загрязненной фекальными микробами, рискует заболеть гастроэнтеритом (симптомы – рвота, диарея и боль в животе).
Американское министерство здравоохранения, чтобы защитить потребителей морепродуктов, установило норму безопасности для моллюсковых ферм, основанную на измерении концентрации фекальных бактерий группы кишечной палочки – широкой категории микроорганизмов, обнаруживаемых в кишечнике людей и животных. Сбор моллюсков не должен производиться в том случае, если геометрически среднее содержания бактерий в 30 пробах окажется выше 14 колониеобразующих единиц (КОЕ) на 100 мл морской воды. Если показатель выше, то сбор мидий, устриц и других моллюсков ограничен или запрещен. По данным NOAА, наиболее распространенным источником загрязнений, попадающих в места обитания моллюсков, оказывают городские стоки.
При этом наблюдается заметная корреляция между ростом численности населения и закрытием моллюсковых ферм. В 1984 г., когда в пяти прибрежных округах Северной Каролины жили 352125 человек, были закрыты 14276 га территорий, предназначенных для выращивания и сбора моллюсков, а в 2003 г., когда совокупная численность населения выросла до 501596, – 17120 га.
Микробное загрязнение также представляет собой серьезную опасность для отдыхающих, занимающихся плаванием, серфингом, подводными погружениями, т.к. микробы вместе с водой через рот, нос, глаза или открытые раны попадают в организм человека. В числе заболеваний, которыми чреват контакт с водой, числятся гастроэнтерит, конъюнктивит (глазная инфекция), различные раздражения кожи (например, шистосомный дерматит), ушные и респираторные инфекции и такие более серьезные заболевания, как гепатит и синдром Гийена-Барре (острый первичный идиопатический полирадикулоневрит) – воспалительное заболевание, которое поражает периферические нервы и может привести к параличу. В воде встречаются такие болезнетворные бактерии, как кишечная палочка (Escherichia coli), возбудитель газовой гангрены – клостридии (Clostridium perfringens) и различные виды энтерококков (Enterococcus), аэромонад (Aeromonas), кампилобактеров (Campylobacter), сальмонелл (Salmonella), шигелл (Shigella) и иерсиний (Yersinia). В числе многочисленных болезнетворных вирусов — возбудитель гепатита А и вирус Норфолк. К патогенным простейшим относятся криптоспоридии (Cryptosporidium), дизентерийные амебы (Entamoeba) и лямблии (Giardia).
Санитарные организации США измеряют концентрацию различных индикаторных видов бактерий, стремясь определить наличие в воде патогенных микроорганизмов, в особенности в местах купания людей. Если количество бактерий становится слишком высоким, власти закрывают пляж. Агентство по защите окружающей среды (EPA) рекомендует в качестве индикатора безопасности воды в океанах и заливах определять концентрацию энетрококков. Согласно нормам EPA, морская вода считается опасной, если геометрическое среднее в пяти пробах на энетрококков, собранных в течение 30 дней, превышает 35 КОЕ на 100 мл, или если хотя бы в одной пробе будет превышено значение в 104 КОЕ на 100 мл. В пресной воде предельные средние концентрации составляют 33 КОЕ на 100 мл для энтерококков и 126 КОЕ на 100 мл для E.coli. Согласно оценкам EPA, плавание в морской воде с предельно допустимым содержанием бактерий приведет к заболеванию 2% купающихся.
Еще с конца 1980-х гг. изучается вред, наносимый окружающей среде применением водонепроницаемых покрытий. В моей лаборатории впервые было проанализировано влияние таких поверхностей на содержание фекальных бактерий в воде. Мы занялись округом Нью-Хановер, быстро развивающейся территорией штата Северная Каролина. За период с 1990 по 2000 г. население округа возросло на 25%, и ожидается, что оно увеличится еще на 31% к 2020 г. Наша исследовательская группа за последние 10 лет изучила качество воды в шести прибрежных реках, протекающих через города округа. Мы собрали и проанализировали более чем 1 тыс. проб фекальных бактерий группы кишечной палочки и E.coli в поисках корреляции между содержанием бактерий и различными демографическими и ландшафтными характеристиками водосборных бассейнов этих рек. Мы обнаружили, что среднее содержание фекальных бактерий группы кишечной палочки было, как правило, выше в тех реках, территории бассейнов которых были густо населены, и где проводилась массовая застройка земель.
Кроме того, стало очевидным, что концентрация бактерий зависит и от площади водонепроницаемых поверхностей. В реке Фатч-Крик, по берегам которой лишь 7% земли было покрыто водонепроницаемыми поверхностями, среднее содержание бактерий группы кишечной палочки составило 12 КОЕ на 100 мл, в то время как в Бредли-Крик, где асфальт и бетон закрывали 22% водосборного бассейна, содержание бактерий было выше более чем в 7 раз. Наблюдалась и корреляция между количеством E.coli и долей водонепроницаемых поверхностей. Такую же закономерность обнаружили сотрудники из Департамента природных ресурсов Южной Каролины (South Carolina Department of Natural Resources) и ряд других исследователей.
Результаты показывают, что ливневые стоки с застроенных территорий могут повышать содержание бактерий в воде ниже по течению реки. Аномально большой сток с автостоянок или из районов застройки, где почва, как на стройплощадках, лишена растительности, может размывать дренажные канавы и ливнестоки, поднимая накопившуюся грязь. Поднятый ил и другие частицы замутняют воду. Более того, поднявшийся осадок, в особенности глинистый, может связываться с такими загрязнителями, как аммоний, фосфаты, металлы, а также фекальные бактерии и вирусы. Связывание с частицами почвы защищает бактерии от ультрафиолетовых лучей, убивающих их. Бактерии могут также извлекать из частиц почвы углерод, азот и фосфор для своего питания, и с помощью такого взвешенного материала микроорганизмы способны путешествовать в потоке воды на значительные расстояния. В своем исследовании прибрежных рек округа Нью-Хановер мы обнаружили очевидную зависимость между турбидностью (мера мутности) и содержанием фекальных бактерий группы кишечной палочки. Другие исследования, проведенные на западе Флориды, на побережье Средиземного моря и в Австралии, дали сходные результаты.
Осадок, лежащий на дне мелких прибрежных мелководных участков берега, также становится резервуаром для фекальных бактерий и других микробов. Были обнаружены высокие концентрации болезнетворных организмов в иле мелких рек. Микробы в осадке живут достаточно долго, поскольку они защищены от ультрафиолетовых лучей и имеют в достатке необходимые питательные вещества. Ветер, купающиеся дети и животные могут легко вызвать загрязнение воды, просто подняв со дна ил. Более того, наши студенты обнаружили высокие концентрации фекальных микробов около нескольких лодочных пристаней в прибрежных районах юго-востока страны.
В тех городах и поселках, где ливневые стоки собираются в канализационные трубы, обильные дожди могут вызвать переполнение системы, в результате чего неочищенные стоки попадут в реки, озера и заливы. Разделив канализационную и ливневую сточные системы, можно решить проблему. Но что делать, когда канализация домов не подключена к общей схеме, и слив собирается в подземных отстойниках.
Один из таких районов — острова Флорида-Кис, где находится более 25 тыс. септических отстойников. Здесь преобладает карстовая топография, т.е. грунт представляет собой преимущественно известняк, пронизанный многочисленными трещинами и промоинами, порожденными эрозией. Такая геологическая пористая формация не способна эффективно фильтровать насыщенные бактериями стоки.
Когда рыхлые песчаные почвы насыщаются влагой, бактерии и вирусы могут свободно проходить через них. Таким образом, территории с песчаными почвами и высоким уровнем грунтовых вод не годятся для размещения септических отстойников, однако из-за неудовлетворительного планирования они сооружены во многих развивающихся прибрежных районах, включая некоторые из островов песчаного барьера вдоль атлантического берега и в Мексиканском заливе. В исследовании качества воды в округе Брунсуик штата Северная Каролина, где на песчаных почвах расположено множество септических отстойников (до 20 на гектар), было обнаружено высокое содержание фекальных бактерий группы кишечной палочки в пресной и морской воде ниже по течению от густонаселенных районов.
Исследователи из университета Джорджии выявили отчетливые закономерности в расположении зон микробного загрязнения: в ряде городов, расположенных на побережье Мексиканского залива во Флориде, содержание бактерий в бухтах и притоках резко возросло во время отлива. Дело в том, что микробы легко проникают сквозь песчаные влажные грунты, окружающие многочисленные тесно расположенные подземные отстойники, и попадают в близлежащие ручьи, впадающие в бухты. Прослеживается закономерная связь не только с отливами, но также и с погодными условиями. Было обнаружено, что во влажные периоды, обусловленные течением Эль-Ниньо, вода в заливе Тампа-Бэй была значительно сильнее загрязнена фекальными бактериями и вирусами, чем в засушливые годы. Исследователи объяснили это тем, что во время дождей происходит интенсивное проникновение микроорганизмов через насыщенные влагой грунты вблизи неправильно расположенных отстойников.
Зависимость концентрации бактерий в воде от дождей была зафиксирована и в южной Калифорнии, где большинство городских стоков попадает в Тихий океан, и в ряде других регионов. Поэтому моллюсковые фермы по всей стране автоматически закрываются на несколько дней или недель после дождей, поскольку они подвержены бактериальному загрязнению из-за ливневых стоков.
Однако городские стоки и утечки из отстойников не всегда являются главными виновниками микробного загрязнения, связанного с погодными условиями. Нередко в прибрежные реки, собирающие воду с сельскохозяйственных территорий, попадают отходы животноводческих ферм. Причем основной вклад вносят предприятия промышленного типа, на которых выращивают колоссальное поголовье скота и птиц. Такие «мегафермы» избавляются от огромных масс навоза, разбрызгивая или разбрасывая его на соседние поля. Если это происходит незадолго до или во время дождя, то фекальные микробы могут попасть в соседние реки вместе с поверхностными стоками.
Очевидно, чтобы защитить береговые воды Америки, застройщики и строители должны отойти от нынешней деструктивной практики (включая сплошную вырубку лесов, осушение заболоченных земель и обширное использование дорожных покрытий) и перейти к более разумным стратегиям. Планируя новые курортные зоны и жилые комплексы, проектировщики должны снизить до минимума применение водонепроницаемых поверхностей и увеличить насколько возможно площади, покрытые растительностью. На территории с обширными зелеными насаждениями, разделяющими мощеные участки, стоки ливневых вод будут существенно слабее, а просачивание через почву освободит воду от загрязнений, смытых с асфальта и бетона.
Кроме того, необходимо сохранять заболоченные территории как природные фильтры для стекающей дождевой воды и принимать меры против смывания грунта со строительных площадок. В процессе исследования 11 небольших рек на прибрежной равнине в Северной Каролине моя лаборатория обнаружила, что в тех водосборных бассейнах, где значительную часть площади составляли заболоченные территории (в данном случае, более 13,5%), в дождливые периоды значительного повышения содержания фекальных бактерий не наблюдалось.
Результаты проведенных исследований показывают, что сохранение и расширение заболоченных территорий становится эффективным способом защиты водоемов от сноса взвешенного материала и от микробного загрязнения. Также можно воспользоваться преимуществами новых технологий, снижающих количество стоков ливневых вод. Например, теперь можно покрывать автомобильные стоянки пористым бетоном — полупроницаемым материалом, который позволяет воде уходить в почву, и при этом достаточно прочен, чтобы на него можно было ставить автомобили. А новые коллекторные системы должны направлять ливневые стоки с автомобильных стоянок на фильтры с применением адсорбентных минеральных веществ и органических материалов, очищающих загрязненную воду. Эти технологии можно применять как в уже застроенных районах, так и при освоении новых. Кроме того, следует установить фильтры на всех автомобильных стоянках, создать зеленые буферные зоны вдоль рек и канав, а в отдельных местах восстановить заболоченные территории.
Проблемы с септическими подземными отстойниками в песчаных грунтах и на территориях с карстовой топографией показывают, что прибрежным районам требуются более совершенные системы очистки канализационных стоков. Однако некоторые природоохранные группы предупреждают, что строительство централизованной канализации приведет к еще более плотной застройке и более сильному загрязнению воды. Следовательно, когда в прибрежных городах строятся канализационные системы, муниципальные власти должны устанавливать ограничения на покрытие территории новой застройки водонепроницаемыми покрытиями, выделив под нее, предположим, 10–15% общей территории.
Американские побережья могут быть чудесным местом как для отдыха и путешествий, так и для размещения жилья и бизнеса. Однако при отсутствии тщательного планирования и политической воли защитить ресурсы побережий, великолепные пляжи, искрящиеся заливы и безмятежные прибрежные речки превратятся в опасные накопители сточных вод.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Фекальные микробы на марше
Непродуманная застройка становится основной причиной микробного загрязнения прибрежных районов. Большинство торговых центров, например, окружено огромными автостоянками, где грязь стекает в дренажные канавы. Во многих районах жилой застройки на побережьях стоки из канализационных отстойников попадают в пористый известняк или в песчаный грунт, что позволяет микробам просочиться в грунтовые воды. Животноводческие фермы промышленного типа обычно вывозят навоз на поля или помещают его в пруды-отстойники; сильные дожди смывают его в реки. Перед строительством новых районов обычно ликвидируют заболоченные территории, которые отфильтровывают воду, освобождая ее от болезнетворных организмов на пути к пляжам и моллюсковым фермам.
Последствия укладки бетона и асфальта
При анализе состояния шести прибрежных речек в округе Нью-Хановер штата Северная Каролина была обнаружена корреляция между степенью микробного загрязнения и преобладанием таких водонепроницаемых поверхностей, как автостоянки, дороги и тротуары. В относительно чистой Фатч-Крик (слева), водосборный бассейн которой покрыт водонепроницаемыми поверхностями менее чем на 7%, средние концентрации бактерий группы кишечной палочки были значительно ниже, чем в Бредли-Крик (справа), где бетон и асфальт занимают более 1/5 части окружающей территории.
Обзор: микробное загрязнение
■ Из-за быстрого развития прибрежных районов США значительная часть территорий вблизи береговой линии скрыта под водонепроницаемыми поверхностями — автостоянками, дорогами и тротуарами. Во время дождя сток ливневых вод может сносить фекалии животных в дренажные канавы, которые ведут непосредственно в озера, реки и на пляжи.
■ Загрязнение фекальными бактериями стало основной причиной закрытия или ограничения использования пляжей. Эти меры в настоящее время применяются к 1/3 контролируемых пляжей США. Опасные микробы также кишат около пристаней, в прибрежных речках и на моллюсковых фермах.
■ Чтобы противостоять микробному загрязнению в прибрежных городах, необходимо сохранять участки, покрытые растительностью, а также сооружать фильтры на ливнестоках и не допускать размещения отстойников в местах с пористыми грунтами.
Об авторе
Майкл Моллин (Michael A. Mallin) –
