БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕАБИЛИТАЦИЯ БЕЛОЯРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА МЕТОДОМ КОРРЕКЦИИ АЛЬГОЦЕНОЗА
Е.Е. Биломар1, В.В. Кульнев2
ООО НПО «Альгобиотехнология», Воронеж
Четырехлетняя биологическая реабилитация путем коррекции альгоценоза Белоярского водохранилища (S=42км2) привела к ряду положительных фактов: устойчивому снижению биомассы синезеленых водорослей, увеличению видового разнообразия фитопланктона и зоопланктона, отсутствию запаха, явлений «цветения» и, следовательно, восстановлению рекреационного потенциала водоема.
Ключевые слова: альголизация, аквакультура, синезеленые водоросли, микроводоросли, суспензия хлореллы, фитопланктон, зоопланктон, «цветение» воды, водохранилище.
Введение
Создание водохранилищ на равнинных реках существенно изменило комплекс гидрологических, гидрохимических и гидробиологических характеристик экосистем. Уменьшение проточности и водообмена, увеличение прогрева толщи воды, образование обширных мелководий, накопление биогенных веществ и органических соединений при затоплении обусловили развитие процессов эвтрофикации. Они в свою очередь способствовали обильному развитию фитопланктона, в том числе и отдельных представителей синезеленых водорослей (цианобактерий), вызывающих токсичное «цветение» воды [1, 2, 4, 5, 15, 18, 19]. Одним из методов предотвращения массового размножения цианобактерий является биологическая реабилитация путем коррекции альгоценоза [3]. С момента запуска Белоярской АЭС (БАЭС), и вплоть до 2009 года [20], по устному заявлению начальника отдела экологии администрации г. Заречный Н. Б. Арефьевой в водоеме-охладителе БАЭС массовое развитие синезеленых водорослей наблюдалось с начала июня и до конца сентября. Так как данный водоем является объектом многоцелевого использования, то проведение работ с целью биологической реабилитации являлось необходимым и актуальным действием. Был разработан и осуществлен проект биологической реабилитации Белоярского водохранилища методом коррекции альгоценоза. Суть её заключается в структурной перестройке фитопланктонного сообщества за счет искусственного увеличения численности и биомассы зеленых водорослей. В качестве альголизанта использовался планктонный штамм хлореллы Chlorella vulgaris ИФР №С-111. Альголизация проводилась в течение четырех лет (2010-2013 гг.).
Материалы и методы исследования
В ходе проводимых исследований 2010-2013 гг. ежемесячно с апреля по октябрь отбирались пробы воды из Белоярского водохранилища для гидрохимического анализа, для качественной и количественной оценки зоопланктона и фитопланктона. Отбор проб воды производился в соответствии с рядом нормативных документов [4;6;7;10 – 12;14;16;17]. Анализ экологической обстановки проводился по трем показательным точкам. Всего на Белоярском водохранилище было обследовано шесть точек мониторинга (Рис.1).
| № точки отбора проб | Координаты |
| №1 200 м от берега напротив строящейся АЭС, левобережье, Голубой залив | N' 56' 51'.191'' E' 61' 17'944'' |
| №2 100 м от берега ниже действующей БАЭС, левобережье, Теплый залив | N' 56' 49'736'' E' 61' 18'631'' |
| №3 100 м от берега городского пляжа г.Заречный, у плотины, левобережье | N' 56' 48'408'' E' 61' 18?491'' |
| №4 150 м между берегами залива Черемшана, правобережье | N' 56' 50'820'' E' 61' 13'138'' |
| №5 30 м от берега от пирса рыбоохраны базы отдыха Белоярского водохранилища, правобережье, у ЛЭП | N' 56' 55'160'' E' 61' 13?201'' |
| №6 Верховья Белоярского водохранилища, правобережье | N' 56' 56'287'' E' 61' 08'831'' |
Рис. 1 – карта-схема точек альголизации и мониторинга Белоярского водохранилища с таблицей условных обозначений.
В качестве ключевых нами были выбраны следующие точки: «Теплый залив» - выпуск отработанной воды из системы охлаждения реакторов БАЭС, расположенной в низовьях водоема, точка «у ЛЭП» находится в верховьях водохранилища, в 1,5 км от места впадения реки Верхняя Пышма. По данным Министерства природных ресурсов и экологии Свердловской области, эта река является самой грязной в регионе. Точка «Пляж» расположена в приплотинной части водоема.
Аналитическая обработка гидрохимических данных проводилась с использованием индекса загрязнения воды (ИЗВ) (формула 1).
где Ci – концентрация компонента (в ряде случаев – значение параметра);
N – число показателей, используемых для расчета индекса;
ПДКi – установленная величина для соответствующего типа водного объекта.
Индекс загрязнения воды рассчитывали по группе гидрохимических показателей: водородный показатель, полифосфаты, общее железо, марганец, медь, цинк, аммонийный азот, нитритный азот, нитратный азот, химическое потребление кислорода, нефтепродукты и биохимическое потребление кислорода.
В зависимости от величины индекса загрязнения воды экологическое состояние ранжируется на классы, представленные в таблице 1.
Таблица 1 – классы качества вод в зависимости от значения ИЗВ
| Воды | Значения ИЗВ | Классы качества вод |
| Очень чистые | до 0,2 | 1 |
| Чистые | 0,2-1,0 | 2 |
| Умеренно загрязненные | 1,0-2,0 | 3 |
| Загрязненные | 2,0-4,0 | 4 |
| Грязные | 4,0-6,0 | 5 |
| Очень грязные | 6,0-10,0 | 6 |
| Чрезвычайно грязные | >10,0 | 7 |
За период с 2010 по 2013 гг. отобрано и проанализировано 147 гидрохимических проб, 126 проб зоопланктона, 126 проб фитопланктона.
За всю историю существования Белоярского водохранилища данные исследования являются самыми масштабными.
Подсчет числа клеток осуществлялся в камере Горяева. Расчет численности микроскопических водорослей в 1 л воды производился по формуле:
где N – количество микроводорослей в 1 л воды исследуемого образца, k – коэффициент, показывающий во сколько раз объём счетной камеры меньше 1 см3, n –количество организмов, обнаруженных на просмотренных клетках камеры Горяева, А – количество клеток в камере, а – количество просмотренных клеток камеры, v– первоначальный объем отобранной пробы (см3), V – объем взвеси-концентрата пробы (см3) [4, 16].
Значения обилия переводились в балльную шкалу следующим образом: для таксонов, составляющих в общем составе микроскопических водорослей менее 0-1,00 %, – 1 балл, 1,01-3,00% – 2 балла, 3,01-10,00% – 3 балла, 10,01-20,00% – 5 баллов, 20,01-40,00% – 7 баллов и 40,01-100% – 9 баллов [17].
Гидрохимические исследования выполнялись: д.г-м.н., И. И. Косиновой, к.г.н., А. А. Валяльщиковым (2010 – 2011 гг.), В. Н. Романюк (2010 – 2011 гг.), д.т.н., А. Н. Поповым, к.б.н Т. Е. Павлюком, В.Ф. Мухутдиновым (2012 г.), сотрудниками лаборатории мониторинга поверхностных вод ФГБУ «Уральское УГМС», под руководством Л. В. Лукмановой Видовая принадлежность фитопланктона определена д.г.н. Г. А. Анциферовой (2010-2011 гг.), к.б.н. Т. В. Еремкиной (2012 г.), к.б.н., Н. Г. Тарасовой (2013 г.), зоопланктона – к.б.н. Е. Н. Животовой (2010-2011 гг.), н.с., В. А. Алексюк (2012 г.) и к.б.н. О.В Мухортовой. (2013 г.), которым авторы выражают искреннюю благодарность за сотрудничество.
Для оценки качества вод по показателям фитопланктона и зоопланктона использовался сапробиологический анализ Пантле и Букка в модификации Сладечека [23]:
где h – относительная частота встречаемости гидробионтов; s их индикаторную значимость.
Определение относительной частоты встречаемости вида производили по шестиступенчатой шкале, которую использовали для оценки обилия фито- и зоопланктона. Индикаторную значимость и зону сапробности определяли для каждого вида перифитона по спискам сапробных организмов [4, 9, 17, 21-25]. Для статистической достоверности результатов обращали внимание на то, чтобы в пробе содержалось не менее 12 индикаторных видов с общей суммой встречаемости h равной 30 [14].
Индекс сапробности указывали с точностью до одной сотой. Для ксеносапробной зоны он находился в пределах 0-1,00, олигосапробной – 1,01 – 1,50 (чистые воды), b-мезосапробной зоне – 1,51–2,50 (воды умеренного загрязнения), a-мезосапробной – 2,51–3,50 (загрязненные), полисапробной зоне – 3,51 – 4,50 (очень грязные) [14].Результаты исследования и их анализ
Результаты расчетов интегральной помесячной оценки качества воды по гидрохимическим показателям представлены на гистограммах (Рис. 2).
Рис. 2 – динамика изменения ИЗВ Белоярского водохранилища в 2010-2013 гг.
Таблица значений и условных обозначений к рисунку 2
На основании математической обработки данных рисунка 2 и классификации по таблице 1 была составлена таблица 2.
Таблица 2 – средние значения ИЗВ Белоярского водохранилища
| Точка | 2010 | 2011 | 2012 | 2013 |
| Теплый залив | 1,7 (3) | 1,2 (3) | 2,7 (4) | 1,4 (3) |
| Пляж | 1,9 (3) | 2,0 (3) | 4,6 (5) | 1,5 (3) |
| у ЛЭП | 2,0 (3) | 1,4 (3) | 3,7 (4) | 1,3 (3) |
Примечание – в скобках указан класс качества воды в зависимости от значения ИЗВ.
В 2010 и 2011 гг. качество воды во всех точках относилось к третьему классу, и относилось к классу «Умеренно-загрязненных» вод. В 2012 году в точках «Теплый залив» и «у ЛЭП» вода относилась к четвертому классу, и оценивалась как «Загрязненная». А на точке «Пляж» – к пятому классу – «Грязная». Такое положение дел обусловлено либо эпизодическим загрязнением воды от техногенного источника, либо непрофессиональным отбором и анализом проб сотрудниками ФГУП РосНИИВХ (г. Екатеринбург). В 2013 году вода во всех точках относилась к третьему классу и оценивалась как «Умеренно загрязненная».
Рис. 3 – динамика суммарного количества видов микроводорослей планктона
Белоярского водохранилища.
Таблица значений и условных обозначений
Анализ данной ситуации показал, что проведение биологической реабилитации Белоярского водохранилища методом коррекции альгоценоза стабилизировало экологическую ситуацию на уровне умеренно-загрязненных вод – третий класс качества воды, чем не обладает большинство искусственных водоемов Уральского региона, подверженных техногенному влиянию. Тем самым развеялся миф, о том, что Белоярское водохранилище является самым грязным в Свердловской области.
В составе фитопланктона обнаружено 442 таксона рангом ниже рода (виды, подвиды, формы и вариации), относящимся к 8 отделам. Наибольшее число видов относится к отделу зеленых водорослей (Chlorophyta) – 162, чуть меньшее количество относится к отделам диатомовых водорослей (Bacillariophyta) – 119 и цианобактериям (Cyanophyta) – 87.
В течение 2010 – 2013 гг. зарегистрирована тенденция к увеличению числа одновременно живущих видов фитопланктона (Рис.3), что опровергает заявления некоторых авторов (Силина А. Е., к.б.н. Животова Е. Н.), что вселение штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 влечет обеднение видового состава аборигенной альгофлоры.
На протяжении четырех лет наблюдений в динамике суммарной биомассы фитопланктона зарегистрировано два периода с высокими показателями (Рис. 4). Явление «цветения» водохранилища в 2010 и 2013 гг. по сравнению с 2009 г. поменяло характер. Во-первых, оно значительно сократило свою длительность. Если до 2009 года ([20] и по устному заявлению начальника отдела экологии администрации г. Заречный Н.Б. Арефьевой) в Белоярском водоеме-охладителе АЭС массовое развитие водорослей наблюдалось с начала июня и до конца сентября, то в последующие четыре года «цветение» длилось не более 10 дней.
Рис.4 – динамика суммарной биомассы
фитопланктона Белоярского водохранилища.
Таблица значений и условных обозначений.
Во-вторых, если основу биомассы водорослей до 2010 года создавали цианобактерии, что сопровождалось неприятным запахом, то в мае 2010 и сентябре 2013 массово развивались диатомовые, в основном представитель каспийской альгофлоры Actinocyclus variabilis, новый для водоема. Неприятный запах при этом отсутствовал. Наблюдающееся возрастание биомассы фитопланктона незначительное. Таким образом, несмотря на некоторое увеличение одновременно обнаруживаемых токсичных видов и видов, способных вызвать «цветение» водоема, роль цианобактерий по абсолютным показателям биомассы крайне низка, явления «цветения» этого отдела не наблюдалось на всем протяжении исследования.
В структуре альгоценоза выделено шесть групп видов по относительному обилию. Состав преобладающих по численности видов испытывает значительные изменения как годовые, так и сезонные. В целом чаще всего преобладают (с балльными характеристиками 5, 7, 9) Stephanodiscus hantzschii Grun. и Synesra tabulata (Ag.) Kutz., гораздо реже, то есть в течение одного года Aulacosira granulata (Ehr.) Sim. var. granulata, A. italica (Ehr.) Sim. f. italica, Stephanodiscus rotula (K?tz.) Hendey, Oscillatoria planctonica Wolosz. in Geitler, Micractinium pusillum Fresenius, Dictyosphaerium ehrenbergianum N?g., Dictyosphaerium tetrachotomum Printz. Actinocyclus variabilis (Makar.) Microcystis aeruginosa (K?tz.) K?tz., M. wesenbergii Komarek, Anabaena sigmoidea Nyg., Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs.
Выделенные представители фитопланктона имеют особое экологическое значение в виду того, что они являются продуцентами цианотоксинов.
В соответствии с химической структурой выделяют две основные группы цианотоксинов: циклические пептиды (микроцистины и нодулярин) и алкалоиды (цилиндроспермопсин, анатоксины, сакситоксины). Цианотоксины вызывают как острые, так и хронические отравления, а по действию на органы-мишени их разделяют на гепато-, нейро- и дерматоксины [12а]. Подробнее нам бы хотелось остановиться на микроцистинах, поскольку они являются одними из самых известных и широко распространенных цианотоксинов. К тому же их продуцентами являются рода микроводорослей, доминирующие среди цианобактерий в альгоценозе Белоярского водохранилища в период проведения его биологической реабилитации (Anabaena и Microcystis).
Микроцистины легко растворяются в воде, метаноле и этаноле и не растворяются ацетоне, эфире, хлороформе и бензоле.
Микроцистины в основном представляют собой гидрофильные пептиды (благодаря присутствию свободных карбоксильных групп и наличию аргинина) и не способны проникать через мембраны клеток животных; для их транспорта требуется АТФ-зависимый переносчик (в человеческом организме это переносчик желчных кислот). Вследствие этого токсичность микроцистина направлены на органы, осуществляющие перенос органических ионов через клеточные мембраны.
Исследования, проведенные на лабораторных животных показали, что 50-70% микроцистина аккумулируется в печени, 7-10% в тонком кишечнике, 1-5 % в почках.
При использовании водоемов в рекреационных целях представляет угрозу численность цианобактерий 20*106 кл/л и концентрация микроцистина 2-4 мкг/л [12а].
Соотношение видового разнообразия отдельных групп видов фитопланктона по относительному обилию 2013 г. являются более близким к показателям, выраженным графически кривой Раункиера [13], чем структуры 2010 года. Следовательно, гидробиоценоз на уровне фитопланктона в 2013 году является более устойчивым к колебаниям факторов окружающей среды.
За 2010-2013 гг. в составе зоопланктона зарегистрировано 127 видов и подвидов, относящихся к четырем крупным группам царства животных. Преобладающей группой в видовом разнообразии являются коловратки (62 вида). Ветвистоусых и веслоногих зарегистрировано почти в два раза меньше. Простейшие зафиксированы только в составе зоопланктона 2010 и 2011 гг., отсутствие их в 2012 и 2013 можно объяснить либо отсутствием в команде РосНИИВХ (г. Екатеринбург) специалиста с нужной квалификацией (протозоолога), либо разрушением простейших во время транспортировки и фиксации. Суммарное число видов зоопланктона, обнаруживаемых в 2012 и 2013 годах увеличивается, что мы связываем со вселением Chlorella vulgaris ИФР №С-111 как одного из кормовых объектов этих гидробионтов.
В динамике биомассы зоопланктона наблюдается некоторое уменьшение показателей во второй половине вегетационного сезона 2012 и в первой половине 2013 года. К концу четырехлетнего наблюдения биомасса планктонных животных демонстрирует тенденцию к увеличению.
Кроме того, в состав преобладающих по биомассе к концу исследования входит веслоногий рачок Eudiaptomus graciloides (Lilljeborg), который образует ассоциации весной с другим веслоногим рачком Acanthocyclops vernalis (Fisch.), летом – с видами ветвистоусых Chydorus sphaericus (O.F. M?ll.), Daphnia galeata Sars, а осенью – с другим видом того же рода E. gracilis (Sars). Следует подчеркнуть, что рачок E. graciloides, являясь консументом второго порядка в трофической цепочке водоема и хозяйственно важным видом, повышает кормовые ресурсы водоема, что мы также связываем с доминированием зеленых водорослей в альгосообществе, что в свою очередь обусловлено проведением биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза.
Всего было зарегистрировано среди фитопланктона 185 видов и форм – индикаторов сапробности и 47 видов и форм этой группы среди зоопланктона.
Некоторыми показателями индекса сапробности (Рис. 6) следует пренебречь, так как число видов – показателей сапробности – по объективным причинам не достигает необходимых 12. Например, фитопланктон в апреле 2010 был представлен только одним видом Chlorella vulgaris.
Показатели индекса сапробности по фитопланктону незначительно колеблются в диапазоне от 1,71 до 2,3, что соответствует мезосапробной зоне или III классу вод (умеренно (слабо) загрязненные). По зоопланктону индексы сапробности соответствуют зонам олиго- до мезосапробной или воде II (чистые) и III (умеренно загрязненные) классов [6].
В частности, индекс сапробности как по фитопланктону, так и по зоопланктону повышается в 2012 году, а к последнему году проведения работ по биологической реабилитации (2013 г.) индекс снижается, демонстрируя некоторое улучшение качества воды.
Рис. 6 – динамика индекса сапробности.
Все преобладающие виды зоопланктона и фитопланктона, для которых известна приуроченность к определенной зоне сапробности, предпочитают олиготрофные, олиго-бетамезотрофные или бетамезо-олиготрофные зоны водоёма.
Таким образом, цель биологической реабилитации Белоярского водохранилища достигнута. Явлений массового размножения цианобактерий не наблюдалось, биомасса водорослей в целом снизилась практически на порядок по сравнению с величинами до 2010 года, повысилась степень устойчивости экосистемы на уровне фито- и зоопланктона за счет увеличения числа малочисленных и редких видов, восстановлены рекреационные свойства водоема (вода прозрачная, неприятный запах отсутствует).
Так как «цветение» воды наблюдалось в течение длительного периода (до 2010 г.), а также водоем продолжает использоваться как водоем-охладитель БАЭС, для более устойчивого эффекта реабилитации требуется продолжение работ по коррекции альгоценоза.
Список литературных и веб-источников
1. Баринова С. С., Медведева Л.А. Атлас водорослей-индикаторов сапробности. – Владивосток: Дальнаука, 1996 г. – 364 с.
2. Белякова Р.Н., Волошко Л.Н., Гаврилова О.В., Гогорев Р.М., Макарова И.В., Околодков Ю.Б., Руднина Л.А. Водоросли, вызывающие «цветение» водоемов Северо-Запада России., – М: Товар-во науч. изд-ний КМК 2006. – 367 с.
3. Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоемов. – Пенза, 2008. – 137 с.
4. Водоросли. Справочник / Вассер С.П., Кондратьева Р.В., Масюк Н.П. и др. – Киев: Наук. думка, 1989. – 608с.
5. Гольд З.Г. Словарь терминов и понятий по водным экосистемам (биологическая структура, качество вод, охрана): Учебно-метод. пособие / З.Г. Гольд, И.И. Морозова; Краснояр. гос. ун-т. – Красноярск, 2004. – 94 с.
6. ГОСТ 17.1.3.07-82. Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества воды водоемов и водотоков.
7. ГОСТ Р 51592-2000. «Вода. Общие требования к отбору проб».
8. Зимбалевская Л.Н., Сухойван П.Г., Черногоренко М.И. Беспозвоночные и рыбы Днепра и его водохранилищ. – Киев, 1989. – 245 с.
9. Иванова М.Б. Влияние загрязнения на планктонных ракообразных и возможность их использования для определения загрязнения рек // Методы биологического анализа пресных вод. ЗИН АН СССР. – Л., 1976. – С.68-80.
10. ИСО 5667/1. Качество воды. Отбор проб. Часть 1. Руководство по составлению программы отбора проб;
11. ИСО 5667/2. Качество воды. Отбор проб. Часть 2. Руководство по методам отбора проб;
12. ИСО 5667/3. Качество воды. Отбор проб. Часть 3. Руководство по хранению и обработке проб.
12а Микроцистин-продуцирующие цианобактерии в водоемах России, Белорусси и Украины. / О. И. Белых, А. С. Гладких и др. /Лимнологический институт Сибирского отделения РАН// Химия в интересах устойчивого развития 21/ Иркутск 2013 с 363-378.
13. Одум. Экология. – М.: Мир, 1986. Т.2 – 376 с.
14. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений / Под ред. В.А. Абакумова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. – 240с.
15. Румянцев В.А., Крюков Л.Н., Поздняков Ш.Р., Жуковский А.В. Цианобактериальное «цветение» воды – источник проблем природопользования и стимул инноваций в России // Terra Humana . – С. 222-228. Путь доступа: http://www.terrahumana.ru/arhiv/11_02/11_02_45.pdf
16. Садчиков А.П. Методы изучения пресноводного фитопланктона. – М.: Университет и школа. 2003. – 157 с.
17. Унифицированные методы исследования качества вод. Атлас сапробных организмов. – М., 1977. – 277 с.
18. Хендерсон-Селлерс Б.И., Маркленд Х.Р. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования. Пер. с англ. – Л.: Гидрометеоиздат,1990.– 279 с.
19. Чупров С.М., Набатова В.А., Гаевский Н.А., Колмаков В.И.Сезонные особенности развития фитопланктона водоема охладителя тепловой станции (Березовская ГРЭС-1, Красноярский край) // Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге: мат. II всероссийской конф. ( печ Сыктывкар, 5-9 октября 2009 г.) [электронный ресурс]. – Сыктывкар: Институт биологии Коми НЦ УРО РАН, 2009. – режим доступа: http://ib.komisc.ru/add/conf/algo_2009/, свободный.
20. Ярушина М.И. Видовой состав и экологическая характеристика водорослей водоема-охладителя Белоярской АЭС / Ярушина М.И., Гусева В.П., Чеботина М.Я. // Экология. 2003. № 1. С. 23-29.
21. Fauna Aquatica Austriaca /A comprehensive Species Inventory of Austrian Aquatic Organisms with Ecological Notes . (By Ed. Moog O).– 1 - 2nd Edition, Vienna, 1995- 2002.
22. Fauna Europaea. Путь доступа к изд.: http://www.faunaeur.org
23. Pantle R., Buck H. Die biologische ?berwaschung der geweisser und die Darstellung der Ergebnisse. – GWF 96/18/ - 1955. – 604 s.
24. Sl?de?ek V. Diatoms as indicators of organic pollution // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 1986. V. 14, No. 5. – P. 555-566.
25. Sl?de?ek V. Rotifers as indicators of water quality. Путь доступа: http://www.abctaxa.be/ gti_course/taxonspecific/rotifer-taxonomy-dr-h-segers-rbins/literature/sladecek_1983.pdf /download
BIOLOGICAL REHABILITATION OF BELOYAR RESERVOIRS BY THE METHOD OF ALGOCENOSIS CORRECTION, Bilomar E1, Kulnev V2, Limited liability company Scientific-production Association «Algobiotehnologia», Voronezh