БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ ВОДОЕМОВ ПУТЕМ СТРУКТУРНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ФИТОПЛАНКТОННОГО СООБЩЕСТВА

Биологическая реабилитация водоемов путем структурной перестройки фитопланктонного сообщества 

В. Т. Лухтанов, В. В. Кульнев, abt-vrn@yandex.ru 

ООО Научно-производственное объединение «Альгобиотехнология», Воронеж, Россия 

Микроскопические водоросли, присутствующие в открытых водоемах, в значительной степени определяют качество воды. Фитопланктон представляет собой базовое автотрофное звено в структуре водной экосистемы, превращающее солнечную энергию и минеральные вещества в первичную органическую субстанцию, и обеспечивающее все последующие трофические уровни питательными веществами и энергией. 

Биомасса и численность микроводорослей зависит от множества внешних факторов. В частности к ним относятся – проточность воды и водообмен, прогрев толщи воды, мелководья, депонирование биогенных веществ и органических соединений при техногенном их поступлении. В последнее время данные факторы обусловливают обильное развитие фитопланктона в целом, и в частности, отдельных представителей синезеленых водорослей, вызывающих «цветение» воды. 

В силу своей эвритопности синезеленые водоросли имеют широкую экологическую валентность, что позволяет им активно развиваться даже в условиях мощного техногенного прессинга. В частности, цианобактерии в ходе эволюции выработали эффективные механизмы адаптации к неблагоприятным факторам внешней среды. Их способность к быстрому размножению связана, прежде всего, с устойчивостью к экстремальным температурам и содержанию солей. 

Возбудителями «цветения» являются представители из различных систематических групп водорослей, но самые благоприятные условия создаются для чрезвычайно активной вегетации синезеленых водорослей из родов Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria и Microcystis. 

Массовое увеличение численности синезеленых водорослей приводит даже к образованию в водоемах трехмерных структурированных биопленок – так называемых «матов», а в системах водоснабжения – к формированию устойчивых биообрастаний. 

Разлагающиеся синезеленые водоросли вызывают негативные явления и в самом водоеме: снижение содержания кислорода, появление цианотоксинов – например, анатоксина, индола, скатола, микроцистина в воде, которое может приводить к гибели всех аэробных организмов [2]. 

Некоторые виды цианобактерий продуцируют специфические нейро - и гепатотоксины, представляющие серьезную угрозу здоровью людей и животных. Антидотов к токсинам цианобактерий не существует. Также к негативным факторам следует отнести образование заморных зон и гибель гидробионтов. 

«Цветение» воды приводит к вторичному загрязнению водохранилищ продуктами распада цианобактерий, значительно ухудшая санитарно-гигиенические показатели воды, что в первую очередь весьма отрицательно сказывается на здоровье населения, использующего водоемы в рекреационных целях или потребляющего недоброкачественную питьевую воду. 

Таким образом, «цветение» воды это последствие экологических нарушений в функционировании водных экосистем. 

Используемые в мировой практике различные физические и химические методы "борьбы" с цианобактериями: спуск воды из водоемов с последующим механическим удалением биомассы, аэрирование огромных водных пространств, использование ультрафиолетового облучения и ультразвука – малоэффективны и вместе с тем связаны, с большими финансовыми затратами. 

Физические методы контроля численности микроводорослей направлены на создание условий, либо препятствующих их развитию, либо разрушающих уже образовавшиеся «маты». 

Ультразвуковая обработка «цветущей» воды приводит к нежелательным последствиям, хотя и является достаточно эффективной по альгоцидному действию. Обработка «цветущей» воды ультразвуком приводит к ее подкислению, снижает количество общего азота и фосфора в воде, а также повышает температуру воды. 

Для снижения численности водорослей могут быть использованы химические гербициды (диурон, симазин, атразин, сульфат меди), оказывающие альгоцидный эффект. Однако отрицательное влияние на водные биоценозы фактически исключает возможность использования этих веществ, для борьбы с «цветением» и биообрастанием в водной экосистеме. 

Еще в 50-х годах прошлого века была осознана серьезность проблемы поиска оптимального и безопасного для природы способа борьбы с «цветением» водоемов, и многие ученые успешно разрабатывали отдельные вопросы посвященные загрязнению и самоочищению водоемов, предотвращению их «цветения» синезелеными водорослями, зарастания высшей водной растительностью. 

В настоящее время все эти проблемы объединены в новое научное направление – биологическую реабилитацию водоемов. 

Биологическая реабилитация – это восстановление экосистемы водоема до естественного уровня и безопасного состояния для человека и окружающей среды. 

Следует отметить, что биологическая реабилитация является важнейшей составной частью экологической реабилитации водных объектов, а последняя включена в федеральную целевую программу «Развитие водохозяйственного комплекса в 2012 – 2020 гг.». 

Схема биологической реабилитации водоёмов ежегодно включает действия, направленные на поглощение загрязняющих веществ, улучшение санитарного состояния, предотвращение «цветения» воды, биологическую мелиорацию высшей водной растительности и, наконец, вылов рыбы и прочих биологических объектов. Причем рыба рассматривается не как объект промыслового или любительского лова, а как компонент экосистемы, предназначенный для выноса из водоёма первичной продукции, которая трансформируется в рыбную продукцию, в виде ихтиомассы. 

Цикл ежегодного развития фитопланктона можно описать следующим образом. Структура зимнего, ранневесеннего и позднеосеннего альгоценозов характеризуется значительным преобладанием диатомовых водорослей, не требовательных к питательным веществам и редко достигающих массового развития. Летом, происходит бурное развитие синезеленых водорослей, влекущее массу негативных экологических последствий. 

Известно, что между зелеными и синезелеными водорослями в фитопланктонном сообществе складываются антагонистические отношения, что мы учитываем при биологической реабилитации водоёмов, используемых в качестве источников водоснабжения, разведения рыбы, приемников технико-бытовых сточных вод очистных сооружений сельскохозяйственных и промышленных предприятий – метод коррекции альгоценоза. Он основан на введении в водоем оригинального штамма одноклеточной зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris (альголизация). 

Штамм защищен патентом РФ № 1751981 и принят на депонирование Институтом физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук. 

ООО НПО «Альгобиотехнология» производит хлореллу указанного штамма с 2006 года. Производство организовано с применением последних достижений в биотехнологии и сертифицировано по ветеринарной безопасности. Отработаны регламент и технология альголизации водоёмов. 

Попадая в водоем, планктонный штамм хлореллы не осаждается на дно и не прилипает к высшей растительности, а парит в верхнем (40 – 120 сантиметров) слое воды интенсивно делясь. За несколько дней хлорелла становится доминирующей микроводорослью в указанном биотопе. В результате фотосинтеза происходит насыщение воды кислородом. В процессе онтогенеза хлорелла активно потребляет органические и неорганические вещества, что приводит к улучшению качества воды. В результате насыщения воды кислородом происходит снижение содержания тяжелых металлов и нефтепродуктов. Тяжелые металлы переходят в высшие степени окисления и образуют с анионами нерастворимые соединения. 

Кислород в период выделения, находясь в атомарном состоянии, (instatum nascendi), обладает повышенной окислительной способностью. Именно в этот момент атомарный кислород окисляет (разрывает) длинные цепочки гидрофильных углеводородов, входящих в состав нефтепродуктов, образуя гидрофобные обрывки радикалов нефтепродуктов, которые оседают на дно водоемов, где подвергаются дальнейшему разложению с помощью нефтеперерабатывающих бактерий. 

Поскольку хлорелла является наилучшим кормом для зоопланктона, то численность его в водоеме увеличивается в разы, создавая тем самым благоприятную обстановку для развития высших гидробионтов. 

При альголизации водоема в весенние месяцы массового развития цианобактерий не происходит, так как хлорелла успевает поглотить биогены необходимые для их развития. Когда водоем уже заражен синезелеными водорослями, введение нашего штамма позволяет лизировать их скопления и перевести продукты разложения в процессе фотосинтеза в белок, липиды, и т. д. входящие в структуру хлореллы [1]. 

В течение ряда лет (с 2001 года) эта биотехнология применяется на Пензенском водохранилище хозяйственно-питьевого назначения и показывает высокую эффективность в сдерживании развития синезеленых водорослей. Внедренные штаммы хлореллы, в отличие от аборигенных, постоянно присутствующих в каждом водоеме, обладают хорошо выраженными планктонными свойствами и подавляют развитие синезеленых водорослей, тем самым предотвращая «цветение» воды. 

Работы по предотвращению «цветения» водохранилища синезелеными водорослями имеют этапный характер, включающий подледное, послепаводковое и летнее вселение. Весь весенне-летний и осенний периоды ведется гидрохимический и гидробиологический мониторинг состояния водохранилища. 

Биологическая реабилитация методом коррекции альгоценоза основана на искусственном увеличении численности зеленых водорослей, приводящем к подавлению развития цианобактерий. 

Таким образом, хлорелла борется с синезелеными водорослями за счет прямой конкуренции. 

В работе [3] показано, что основополагающую, структурообразующую роль в водорослевых сообществах лентических водоемов играют представители отдела Clorophyta – зеленые водоросли, положение доминантного партнера занимают представители отделов Bacillariophyta, Euglenophyta и Dinophyta, а к ассоциативным компонентам симбиоза отнесены представители отделов Xantophyta и Cyanophyta (рис. 1), и даже отсутствие последних не меняло общую схему структуры фитопланктонного сообщества. Также в данной статье альголизация признается перспективным направлением улучшения экологического состояния водоемов и лежит в основе использования симбиотического подхода в экологической практике. 

При использовании метода коррекции альгоценоза наступает освобождение водоёма не только от вегетативных форм синезеленых водорослей, но от их спор, а планктонные штаммы хлореллы «приживаются» в гидробиоценозе. 

Практика показала, что вегетативные формы и споры синезеленых водорослей уменьшаются в своем количестве, за каждый год проведения биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза примерно вполовину. Необходимо отметить, что отсутствие "цветения" водоёма после проведенной альголизации не является признаком полного освобождения водоёма от синезеленых водорослей. Через четыре года их остается порядка 6% от начального количества, что не даст стать синезеленым водорослям доминирующими в альгоценозе в летний период. Это и определяет четырехлетний цикл проведения основных работ. 

В последующие четыре года проводится альголизация водоёма однократно в год и только в зимний период для наращивания биомассы хлореллы планктонных штаммов, которая была снижена за счет выедания зоопланктоном и личинками рыб. При этом "цветения" воды синезелеными водорослями не должно быть. 

Следующие четыре года водоём не альголизируется, но за ним ведется наблюдение и проводится ежегодная регистрация отсутствия "цветения" воды синезелеными водорослями. 

По такой схеме была проведена биологическая реабилитация Пензенского водохранилища хозяйственно-питьевого назначения, которое не "цветет" с 2001 г. по настоящее время (август 2012 г.) [1]. 

Следовательно, приведенная схема биологической реабилитации водоёмов сможет предотвратить "цветение" синезелеными водорослями на длительный период времени, возможно, на несколько десятилетий. 

Рис. 1 - ассоциативно-симбионтные взаимоотношения сочленов фитопланктонного сообщества

 Метод не имеет экологических проблем, так как все процессы, которые он вызывает в водоёме, направлены на улучшение качества воды, увеличение в ней растворенного кислорода и уничтожение патогенного бактериопланктона. Сама хлорелла является полезным кормом для микрофауны водоёма. Метод применим для любого водоёма как искусственного, так и естественного происхождения, соленость которого не превышает 18 промилле. От маленького пруда до крупного водохранилища. В результате выполнения своей миссии этот метод восстанавливает требуемый баланс флоры и фауны водоема. 

Метод не имеет экономической альтернативы, так как затраты на его осуществление в десятки раз ниже любого другого способа борьбы с «цветением» воды. 

К настоящему времени вышеуказанный метод применялся и применяется нами на Ижевском, Матырском, Белоярском, Черноисточинском, Верхне-Выйском, Нижнетагильском и Леневском водохранилищах, на других водоемах питьевого и рыбохозяйственного назначения во всех географических зонах Европейской части Российской Федерации. Положительные результаты подтверждены документально. Отрицательных – нет. 

Российская Федерация богата водными объектами, как природного, так и искусственного происхождения. Они используются человеком в самых различных целях. Но одно их объединяет: качество воды с каждым годом ухудшается и не последнюю роль в этом играют синезеленые водоросли. 

Список литературы 

1. Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоёмов / Н.И. Богданов. 3 изд., доп. и перераб. – Пенза: РИО ПГСХА, 2008. – 126 с. 

2. Ежова Е. Е., Ланге Е. К. Русских Я. В. Жаковская З. А, Чернова Е. Н. Токсические «цветения» фитопланктона в Куршском и Вислинском заливах Балтийского моря // Международная конференция «Актуальные проблемы планктонологии». Тезисы докладов. – Калининград: Изд. АтлантНИРО, 2012 – стр. 52 – 54 

3. Немцева Н. В., Яценко-Степанова Т. Н., Бухарин О. В. Структурно-функциональная характеристика водорослевого сообщества и ее использование для определения экологического состояния пойменных водоемов // Журнал «Проблемы региональной экологии» №5 2011