Главная → Наука → Научные статьи ООО НПО "Альгобиотехнология" → Научные статьи 2016 года → ЭКОЛОГО-ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ ВОРОНЕЖСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

ЭКОЛОГО-ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ ВОРОНЕЖСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

ЭКОЛОГО-ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ ВОРОНЕЖСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Г. А. Анциферова, В. В. Кульнев

Воронежский государственный университет, г. Воронеж,

g_antsiferova@mail.ru, kulnev@geol.vsu.ru

Аннотация. В данной работе приведены результаты эколого-гидробиологического мониторинга Воронежского водохранилища, осуществляемого авторами с 1988 года. Статья содержит комплекс природоохранных мероприятий, направленных на реабилитацию Воронежского водохранилища в эколого-гидробиологическом отношении.

Ключевые слова: водохранилище, «цветение» воды, Масловский затон, питьевое водоснабжение, цианотоксины, индекс сапробности, природоохранные мероприятия.

Abstract. In this paper, the results of ecological and hydrobiological monitoring of the reservoir carried out by the authors since 1988. The article contains a complex of nature protection measures aimed at the rehabilitation of the Voronezh reservoir ecological-hydrobiological respect.

Keywords: reservoir, blooms, Maslovskys Creek, drinking water, cyanotoxine, saprobity index, environmental protection.

Введение

Воронежское водохранилище было создано в 1972 году на реке Воронеж. Оно представляет собой, в какой-то мере, уникальный природно-техногенный водный объект. Уникальность его заключается в том, что 4/5 площади водоема находится в пределах селитебной зоны. Ни одно водохранилище в мире не имеет такого соотношения.

Положение водохранилища, в значительной степени обусловило характер испытываемого им техногенного воздействия. Во-первых, водохранилище является приемником городских ливневых вод и осветленных вод Левобережных очистных сооружений. Работы, проводимые областным Департаментом экологии и природных ресурсов по батиметрической съемке позволили выявить как надводные, так и подводные сбросы стоков.

Во-вторых, в южной части селитебной зоны, находящейся на правобережье отсутствует центральная канализация.

В-третьих, водоем испытывает мощную антропогенную нагрузку со стороны Левобережной промышленной зоны. В настоящее время это воздействие выражается в некалевом загрязнении водохранилища.

В-четвертых, ведущими поллютантами, ухудшающими экологическое состояние воды Воронежского водохранилища, наряду с некалем являются нефтепродукты, тяжелые металлы, фенолы, неорганические формы азота и фосфора и цианотоксины.

Неблагоприятное экологическое состояние Воронежского водохранилища характеризуется еще и тем, что водохранилище более чем наполовину пополняет объем неоген-четвертичного водоносного комплекса, вследствие того, эти подземные воды обеспечивают питьевое водоснабжение населения г. Воронежа.

При долговременном (с 1972 г.) воздействии и существующих объемах загрязнений самоочистительные способности экосистемы водохранилища являются недостаточными для полной их утилизации [2].

При перегрузке водоема биогенами происходит бурное развитие планктонных микроскопических водорослей, вызывающих «цветение» вод. Интенсивное развитие макрофитов на мелководьях сопровождается накоплением на дне органического вещества в результате неполной его минерализации.

Эколого-гидробиологический мониторинг состояния водной среды Воронежского водохранилища проводится нами на основе данных по сообществам фитопланктона и микрофитобентоса, представленных диатомовыми и синезелеными водорослями, полученных методом биоиндикации.

Материалы и методы

Биоиндикация в сравнении с биотестированием, является более точным инструментом оценки экологического состояния водоема, поскольку проводится «in vivo», а не «in virto».

Это позволяет разносторонне охарактеризовать экологическую проблему, которая заключается в распространении «цветения» вод, обусловленного массовым развитием синезеленых водорослей.

О токсичности синезеленых водорослей (цианобактерий) известно, начиная с середины прошлого века. В процессе метаболизма, или после отмирания в конце сезона вегетации, синезеленые выделяют цианотоксины (микроцистин, анатоксин и другие), обладающие высокой токсичностью для животных и человека. Они могут вызывать у людей острые отравления с неврологическими симптомами, приводить к некрозам внутренних органов, например, печени и др. [8, 9, 13, 14, 15]. К токсичным синезеленым водорослям относятся цианобактерии родов Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria и Microcystis.

В настоящее время существуют десятки методов борьбы с «цветением» водоемов синезелеными водорослями. Условно, их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.

К физическим методам можно отнести облучение воды ультрафиолетовым излучением, механический сбор биомассы специальными ситами, устилание дна водоема зеркалами и др. Эти методы малоэффективны и весьма капиталоемки.

Химические методы представляют собой группу способов улучшения качества воды основанных на внесении в воду химических препаратов. Эти методы антиэкологичны. Поскольку химические вещества не обладают селективностью воздействия, и приводят к гибели всего гидробиоценоза.

Среди биологических методов, признанных самыми действенными, самым дешевым является способ биологической реабилитации водных объектов методом коррекции альгоценоза, теоретическая основа и практические примеры которого приведены в работе [3].

Наряду с упомянутым методом к биологическим следует отнести использование штаммов сухих бактерий, вирусов синезеленых водорослей, вселений рыб-фитофагов, биоплато и другие.

В отличие от метода коррекции альгоценоза данные методы имеют ряд существенных недостатков. Бактерии являются узкоспецифичными организмами, то есть один вид бактерий будет снижать содержание только конкретного загрязняющего вещества. Нет ни одного вида бактерий, способного справиться со всем спектром поллютантов. Плюс ко всему бактерии являются микроорганизмами, продуцирующими углекислый газ, и потребляющими кислород [6].

Применение вирусов синезеленых водорослей, таких как LPP – 1, LPP – 1A (этот метод в настоящее время не применяется, потому что данные вирусы могут быть опасны для людей); заселение водоемов растительноядными рыбами, такими как тиляпия, белый амур, белый и пестрый толстолобики (однако, показано, что при применении данного метода «цветение» может даже усиливаться); использование высшей водной растительности – биоплато (показано, что макрофиты конкурируют с водорослями за биогенные вещества, выделяют кислород и затеняют ниже лежащие слои воды, их метаболиты проявляют фитоцидные свойства. Однако этот метод подходит для небольших водоемов, и при этом фитомассу макрофитов следует удалять, что является непростой задачей) [12].

Отбор проб фитопланктона и микрофитобентоса производился по 7 створам. При этом получилось, что один створ приходится на 842 гектара. Такая плотность сети опробования является приемлемой для эколого-гидробиологических исследований, и получаемые данные будут репрезентативными.

Эколого-гидробиологический мониторинг в данной работе основан на анализе таксономического и экологического состава сообществ низших водорослей, качественный и количественный состав которых зависит от физико-химических характеристик водной среды и донных осадков, а также на определении ценотических параметров, таких как трофность, сапробность и других.

Результаты и обсуждение

По результатам мониторинговых исследований в водохранилище выделены два основных участка – Верхний (от верховьев водохранилища до Чернавского моста), и Нижний (от Чернавского моста до плотины).

Проведенные в 1988 и 2003 годах биоиндикационные исследования водохранилища на основе анализа фитопланктона выявили его эколого-биологический статус.

Усредненные значения индекса сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека изменяются от 1,64 (верховья) до 1,76 (Масловский створ, плотина). В соответствии с показателями индекса сапробности, воды водохранилища в целом могут быть отнесены к классу III и определены как «умеренно загрязненные». Это является следствием достаточной проточности и процессов водообмена, а также действием процессов самоочищения. По способности к самоочищению экосистема водохранилища в целом долгие годы оставалась стабильной при степени кризисности на уровне обратимых изменений. Это определяется достаточно высоким уровнем процессов переработки, окисления и минерализации органического вещества.

В пределах акватории на Нижнем участке в месте сброса Левобережных очистных сооружений (ЛОС) существует локальный участок высокого загрязнения вод.

Непосредственно в месте сброса наблюдаются вόды, качество которых согласно индексу сапробности равному более 4, обозначаются как изосапробные, класс VI «очень грязные». На некотором отдалении, но в зоне влияния сбрасываемых стоков, прослеживаются воды V-го класса качества, определяемые как «грязные» (индекс сапробности 3,51-4,00). И далее воды IV-го класса – «загрязненные» (индекс сапробности 2,51-3,50). В условиях подобного уровня класса качества вод, возникающих вследствие особых экологических ситуаций, проявляются признаки, свидетельствующие о стадии необратимых изменений [5].

Исследования фитопланктона, проведенные в 2013-2014 гг. на Нижнем участке водохранилища, связаны с биоиндикационными наблюдениями в приустьевой части р. Тавровка и в Масловском затоне [2].

В конце августа-начале сентября 2013 года в Масловском затоне (выше дамбы) наблюдалось массовое развитие синезеленых водорослей. Это обусловлено влиянием целого ряда факторов. В реку Тавровка, впадающую в затон, с неконтролируемыми объемами хозяйственно-бытовых и канализационных стоков с прилегающей территории поступают значительные объемы органических и неорганических загрязнений. В дополнение к ним в последние годы (не менее 7 последних лет) общественностью этих населенных пунктов фиксировались промышленные стоки из не установленных официально и не санкционированных источников техногенного загрязнения.

Экстремальные летние температуры 2010-2012 годов обострили экологическую ситуацию в экосистеме р. Тавровка – Масловский затон (выше дамбы). Температурный режим хорошо прогреваемого мелководного водоема обусловил условия, чрезвычайно благоприятные для распространения представителей синезеленых водорослей загрязненных местообитаний. Это Microcystis aeruginosa f. flos-aqua (Wittr.) Elenk. et f. pseudofilamentosa (Grow.) Elenk. et f. sphaerodictyoides Elenk. et f. scripta (Richt.) Elenk. Наряду с этими таксонами появляется и широко распространяется вид Ostillatoria coerulescens Gicklh., для которого характерно обитание в гниющем иле, особенно в условиях сероводородного загрязнения. Выделяемые им продукты метаболизма при разложении окрашивают воды в красновато-пурпурный цвет.

Названные представители синезеленых водорослей образуют мощные (десятки сантиметров толщиной) скопления-дерновины, покрывающие илистый субстрат. Они имеют запах канализационной органики, сероводорода. Сложились условия катастрофического уровня экологической опасности. Водная среда Масловского затона, согласно индекса сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека, может быть отнесена к V классу «грязная», и по разряду качества является предельно грязной. По степени кризисности подобная экосистема находится в стадии необратимых изменений [1, 5].

В пробах фитопланктона, отобранных в Масловском затоне в середине мая 2014 года, «в массе» развиты представители рода Microcystis (Microcystis aeruginosa и его формы). Наряду с ними с оценками обилия «часто» – «очень часто» – «в массе» встречаются Anabaena constricta (Staf.) Geitl., A. variabilis Kütz., Aphanothece castagne (Bréb.) Rabenh., Lyngbya aestuarii (Mert.) Liebm., L. truncicola Ghose, Merismopedia trolleri Bachm., Ostillatoria irrigua (Kütz.) Gom., O. planctonica Wolocz., O. putrida Schmidle, O. princeps Vauch., Phormidium foveolarum (Mont.) Gom.

Повсеместно среди диатомовых доминируют Cyclotella kützingiana Thw., C. meneghiniana Kütz., Fragilaria capucina Desm., Tabellaria flocculosa (Roth.) Kütz., Synedra ulna (Nitzsch.) Ehr. – «в массе», «очень часто», «нередко». Среди зеленых с оценками обилия «нередко», «часто» встречены Scenedesmus opoliensis Richt, Sc. сommunis Hegew., Coelastrum microporum Näg. и др. В составе синезеленых с оценками обилия «в массе», «очень часто» наблюдаются Microcystis aeruginosa f. flos-aqua (Wittr.) Elenk. и M. ichthyoblabe Kütz., характерные для загрязненных местообитаний. С оценками обилия «единично», «редко» распространены Anabaena variabilis Kütz., Rhabdoderma lineare Schmidle et Laut. emend. Hollerb. и др.

По сравнению с ситуацией в сентябре-октябре 2013 года, таксономическое разнообразие сообществ низших водорослей в мае-июне 2014 года расширилось за счет развития сукцессии диатомовых водорослей. Для данного интервала времени по таксономическому составу водорослей-индикаторов охарактеризовано экологическое состояние водной среды. Класс качества вод, определенный по индексу сапробности Пантле-Букка в модификации Сладечека показал значение, равное 1,68. Это показывает, что водная среда Масловского затона относится к классу III – «умеренно загрязненные» воды (в пределах значений 1,51-2,50). Вероятно, это произошло вследствие весеннего притока вод.

Однако в этом заключается некий парадокс, когда на фоне относительно высокого класса качества водной среды, в целом выявляется чрезвычайно высокая загрязненность Масловского затона и прилегающей к нему акватории водохранилища. С целью объяснения подобного несоответствия был применен метод Т. Ватанабе, используемый для расчета индекса органического загрязнения (но не загрязнения ксенобиотиками) на основе диатомового комплекса (DAIpo – индекса D) [4].

Согласно проведенным расчетам, в общем составе сообществ диатомей преобладают виды, которые отличает устойчивость к органическому загрязнению. Общие показатели значений индекса органического загрязнения D по пунктам опробования относятся к интервалу от 52,0 до 62,75%. Подобное распределение данного показателя рассматривается как указание на токсичность водной среды, так как развиваются таксоны, которые, по сути, являются толерантными к условиям среды.

Нами обращается внимание на токсичность среды, происхождение которой связывается с синезелеными водорослями. При этом следует заметить, что имеются работы, в которых анализируется токсичность вод, установленная гидрохимическими методами [11].

Среди синезеленых водорослей, которые получили массовое развитие и в акватории Воронежского водохранилища, вызывая «цветение» вод, распространены таксоны, выделяющие цианотоксины. Это Microcystis aeruginosa Kütz. emend. Elenk., Microcystis aeruginosa f. flos-aqua (Wittr.) Elenk. и M. ichthyoblabe Kütz., а также Anabaena variabilis Kütz., Lyngbya aestuarii (Mert.) Liebm. [10]. Они свидетельствуют как о высокой степени загрязнения экосистемы «водная среда – донные отложения», так и о ее токсичных свойствах. Причем для Воронежского водохранилища характерно хроническое отравление цианотоксинами в течение многих лет, начиная с 80-х годов прошлого века, когда летнее «цветение» вод стало характерным явлением.

В 2015 г. была обследована акватория водохранилища, от плотины до верховьев. Начиная с середины лета, наблюдалось «цветение» вод синезелеными водорослями, распространившееся до Северного моста. Это главным образом Microcystis aeruginosa f. flos-aqua (Wittr.) Elenk. et f. pseudofilamentosa (Grow.) Elenk. et f. sphaerodictyoides Elenk. Диатомовые водоросли распространены ограниченно, насчитывают до 20 таксонов. Они представлены видами обрастаний, например высшей водной растительности. Среди них Cocconeis placentula Ehr., Cocconeis pediculus Ehr., Fragilaria consrruens (Ehr.) Grun., Fragilaria consrruens var. venter (Ehr.) Grun. и Melosira varians Ag., которые встречаются на обрывках мелкого детрита. Судя по составу сообществ фитопланктона, водоем находится на низком уровне их активности процессов самоочищения.

Итак, в настоящее время сложилась экологическая ситуация, обусловленная массовым развитием в акватории Воронежского водохранилища представителей синезеленых, которые являются признанными в мире источниками цианотоксинов. Острота экологической проблемы подчеркивается гидравлической связью водохранилища с неоген-четвертичным водоносным комплексом, используемым для водоснабжения населения крупного областного центра.

Данная проблема требует разностороннего комплексного решения, поскольку если не принимать действенных мер по ликвидации «цветения» воды синезелеными водорослями, то сценарий Масловского затона будет иметь место на акватории всего Воронежского водохранилища.

Список литературы

Анциферова Г.А. Экологическая ситуация в Масловском затоне летом 2013 года – фрагмент сценария неблагоприятного развития ЭГС Воронежского водохранилища Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы. / Матер. третьей междунар. науч.-практ. конф., 20-22 ноября 2013, г. Воронеж: «Цифровая полиграфия», 2013. С. 78-79.
Анциферова Г.А., Беспалова Е.В. Современное состояние водной среды Воронежского водохранилища /Материалы научной конференции с международным участием «Современные проблемы гидрохимии и мониторинга качества поверхностных вод – Ростов-на-Дону, 2015 – С.170-173.
Анцицерова Г.А., Захарова И.В., Кульнев В.В. Об изменении структуры фитопланктонного сообщества Матырского водохранилища в течение вегетационных сезонов 2010 – 2012 и 2014 – 2015 годов / Материалы Международной научной конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности» - Воронеж, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2015
Баринова С.С., Медведева Л.А. Метод Ватанабе в оценке органического загрязнения вод // Альгология, 1998. Т. 8. № 4. С. 428-448.
Баринова С.С., Медведева Л.А., Анисимова О.В. Разнообразие водорослей-индикаторов в оценке качества окружающей среды. Tel-Aviv: Piles Studio, 2006. – 498 c.
Богданов Н.И. Биологическая реабилитация сточных вод// Н. И. Богданов, С.Ю.Андреев/ Материалы Всероссийской конференции "Приоритетные направления экологической реабилитации Воронежского водохранилища "Изд-во "Научная книга", Воронеж, 2012 г С 247 – 252.
Бугреева М.Н., Колнет И.В., Мамчик Н.П., Альбекова Т.Ю. Оценка техногенного загрязнения окружающей среды в условиях промышленного комплекса // Вестн. Воронеж. ун-та, Геология, 2000. Вып. 3. С. 241-249.
Горюнова С.В., Ржанова Г.Н., Орлеанский В.К. Синезеленые водоросли (биохимия, физиология, роль в практике). М.: Наука, 1969. 228 с.
Горюнова С.В., Демина Н.С. Водоросли – продуценты токсических веществ. М.: Наука, 1974. 256 с.
Кондратьева Н.В., Коваленко О.В. Краткий определитель видов токсических синезеленых водорослей. Киев: Наукова Думка, 1975. 78 с.
Косинова И.И., Крутских Н.В. Эколого-геологическое районирование территории г. Воронежа // Вестн. Воронеж. ун-та, Геология, 2001. Вып. 12. С. 205-212.
Попов А. Н. Об изучении механизма взаимодействия штамма Chlorella vulgaris ИФР №С-111 с сообществами синезеленых водорослей поверхностных водоемов в окрестностях Екатеринбурга// А. Н. Попов, Е. А. Бутакова, Т. Е. Павлюк/ Материалы Всероссийской конференции "Приоритетные направления экологической реабилитации Воронежского водохранилища "Изд-во "Научная книга", Воронеж, 2012 г.
Саут, Р. Основые альгологии /Р. Саут, А. Уиттик. М.: Мир, 1990. – 595 с.
Сиренко Л. А., Гавриленко М. Я. «Цветение» воды и эвтрофирование. – Киев: Наук. Думка, 1978. – 232 с.
Ходорковская Н.И., Дерябина Л.В., Крайнева С.В., Утопленникова А.Ю. Оценка экологического состояния Шершнёвского водохранилища в современных условиях // Вестн. Челябинск. ун-та, 2013. № 7. С. 165-167.

Страницы в сборнике 84 - 93.