удк 504.064.36:628.113.1:543.3:582.232 экологические проблемы

УДК 504.064.36:628.113.1:543.3:582.232
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭВТРОФИРОВАНИЯ
ВНУТРЕННИХ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДОЕМОВ ЮГА РОССИИ
И БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД
ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ
П. И. Кузнецов, М. В. Фролова, М. В. Московец, В. И. Кузнецова
Выполнен анализ эволюции и современного состояния качества воды в водоемах
юга России. Установлен преобладающий фактор ухудшения качества воды биогенного
происхождения – «цветение» в результате преобладающего развития в структуре фитопланктона синезеленых водорослей. Приведены результаты исследований разработанного биотехнологического метода повышения качества воды вселением штамма хлореллы ИФР № С-111, выступающего в роли антагониста синезеленых водорослей.
Ключевые слова: Водохранилища, качество воды, синезеленые водоросли, хлорелла, биотехнология повышения качества воды.
The analysis of the evolution and current status of water quality in reservoirs in southern Russia. Predominant factor set water quality degradation of biogenic origin – «bloom» as
a result of the prevailing structure of phytoplankton in the blue-green algae. The results of re-
61
search developed by biotechnological methods to improve water quality universes strain
Chlorella IGF number C-111 acts as an antagonist of blue-green algae.
Keywords: reservoirs, water quality, blue-green algae, chlorella, biotechnology to improve water quality.
Водные ресурсы и созданный водохозяйственный комплекс, представленный совокупностью водохозяйственных систем и сооружений,
имеют важнейшее значение для социально-экономического развития Волго-Каспийского района.
Водоемы и водотоки южных регионов Российской Федерации, в том
числе Астраханской и Волгоградской областей, в наибольшей степени
подвержены экзогенной эвтрофикации [1, 2 и др.].
Одним из основных следствий высокой трофности водоемов является интенсивное развитие синезеленых водорослей, проявляющееся в массовом «цветении» воды. Естественное формирование структуры фитопланктона объясняется тем, что синезеленые водоросли:
 способны фиксировать растворенный в воде атмосферный азот
и таким образом противодействовать условиям лимитирования азотом;
 обходятся меньшим содержанием растворенного в воде диоксида
углерода в сравнении с другими водорослями;
 выделяют определенные продукты метаболизма, приостанавливающие рост других водорослей;
 являются крупными водорослями и поэтому не потребляются
планктонными хищниками-фильтраторами, для которых мелкий фитопланктон становится пищей;
 способны замещать и фактически вытеснять менее плавучие водоросли, так как «цветение» начинается в толще воды и поднимается к поверхности благодаря расширению газовых вакуолей.
В результате эвтрофирования водоемов происходит снижение степени
кислородного насыщения, уменьшение прозрачности и изменение цвета.
Отсутствие биологических потребителей синезеленых, вследствие их
токсичности, приводит к массовому развитию этого вида водорослей. При
повышении концентрации биомассы водорослей до 100 мг/л сухого вещества и более падает кислородная продуктивность клеток, усиливаются
процессы разложения, идущие с поглощением кислорода. В среде накапливаются органические вещества и продукты их распада, в том числе
и токсичные.
Усиленному развитию синезеленых водорослей способствует рост
концентраций минерального азота, растворенных фосфора и железа, увеличение рH воды, уменьшение скорости течения, хорошее прогревание
водной толщи. Синезеленые водоросли потребляют аммонийный азот, поэтому при оптимальном световом и тепловом режиме, когда наблюдается
62
недостаток нитратного азота, они обгоняют в своем развитии диатомовые,
протококковые и другие виды водорослей.
В природе бурное «цветение» становится токсичным на определенной стадии развития, разрушения. Подтверждение этому получено в исследованиях А. А. Сиренко, С. В. Горюновой и др.: наибольшая токсичность отмечена у природных популяций синезеленых водорослей в образцах с жизнеспособными клетками, но при наличии признаков отмирания
[3, 4]. Авторами показана высокая экологическая и токсикологическая значимость альготоксинов для животных. Известны случаи гибели сельскохозяйственных животных (овец, коров, кур), а также заболевания людей,
употреблявших рыбу и питьевую воду из «цветущих» водоемов. По химической природе токсины синезеленых представляют собой сложный комплекс аминокислот (табл. 1).
Таблица 1
Токсичные виды синезеленых водорослей
(по данным исследований Волгоградского водохранилища, 2007 г.)
Водоросли-продуценты
Microcystis aeruginosa
Anabaena flos-aqae
Aphanizomenon flos-aqae
Oscillatoria aqardhii
Токсины
Микроцистин
Анатоксин-а
Афанотоксин
Осцилляториятоксин
Природа соединений
Пептид
Алкалоид
Алкалоид
Неизвестно
Поскольку токсические метаболиты синезеленых водорослей характеризуются широким спектром биологического действия, вопрос о методах
борьбы с цианобактериями – возбудителями «цветения» воды – рассматривается как один из важнейших в аспекте защиты водоисточников.
Причина накопления синезеленых водорослей заключается в том,
что эти виды представлены крупными колониальными формами, которые
недоступны для потребления беспозвоночными; рыбы-фитофаги также не
могут употреблять их в качестве пищи. Поэтому использование растительноядных рыб (белый амур) для борьбы с «цветением» водоемов дает положительные результаты только в комплексе с вселением штамма микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР № С-111.
Водоросли рода Chlorella vulgaris в последние годы стали предметом
изучения специалистов различных сфер биологии. Интерес к этому роду
микроскопических водорослей обусловливается тем, что они оказались
очень удобными объектами для решения ряда общебиологических проблем и некоторых задач практического характера.
Выяснена возможность применения хлореллы в биологической очистке воды. Результаты многих исследований широко внедрены в практику
сельскохозяйственного производства, рыболовства, медицины, парфюмерной промышленности и т. д.
63
Состав белка хлореллы почти идентичен составу структурного белка
хлоропластов, изолированных из листьев высших растений. По содержанию белка хлорелла превосходит сою, пшеницу и некоторые другие растения. Она содержит витамины, углеводы и другие вещества. В суспензии
хлореллы содержатся все незаменимые аминокислоты (табл. 2), 62 % протеина, 30 % углеводов, 5 % жира, 3 % минеральных солей.
Таблица 2
Содержание аминокислот в хлорелле и некоторых других кормах
(г/кг сухого вещества)
Корма
Хлорелла
Мука
травяная
Зерно
гороха
Жмых
подсолнечника
51,5
10,1
Метионин
9,7
2,0
13,4
2,6
1,1
14,2
24,3
7,6
–
18,3
Лизин
Триптофан
Аргенин
12,4
3,1
61,0
8,3
Гистидин
14,6
4,7
70,8
18,8
Фенилаланин
29,4
6,2
7,1
20,5
9,5
8,4
8,6
–
42,4
9,2
19,4
12,0
Лейцин
Треонин
Валин
26,9
8,2
39,1
8,2
По содержанию каротина водоросли превосходят все растительные
корма (табл. 3). В водорослях много токоферола, рибофлавина и никотиновой кислоты. Тиамина и пиридоксина водоросли содержат столько же,
сколько кукуруза, ячмень, овес. Как известно, витамины В12 и Д в зеленых
растениях не синтезируются, а в биомассе хлореллы они обнаружены в
значительном количестве.
Таблица 3
Витаминный состав хлореллы и некоторых кормов
Корма
Хлорелла
Трава пастбищная
Сено клевера
Травяная мука
Силос разнотравный
Зерно овса
Жмых подсолнечника
каротин
(мг)
до 1600
50
20
180
15
–
–
Содержание в 1 кг сухого вещества
витамины
D (ME)
B1(мг)
B2(мг)
1000
10
300
–
1
2,0
до 100
2,5
6,0
–
3
10
до 100
0,6
1,0
–
4,3
0,6
46
7,5
0,5
B12 (мг)
до 240
–
–
–
до 1,0
–
–
Развитие исследований по массовой культуре водорослей дало толчок к совершенствованию методов лабораторного их выращивания, благодаря чему возник метод лабораторного интенсивного культивирования
микроводорослей.
64
Использование биотехнологии по вселению микроводоросли
Chlorella vulgaris служит предотвращению «цветения» воды и появлению
токсичных (заморных) зон в водоемах.
Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого
земледелия работает над проблемой повышения качества воды открытых
водоемов и предотвращения их «цветения» синезелеными водорослями,
имеются все необходимые разрешительные документы на альголизацию
водоемов. Разработано биологическое обоснование на вселение штамма
хлореллы в водоемы Южного федерального округа. Положительные опыты работ были проведены на Береславском, Варваровском, Карповском,
Цимлянском и Волгоградском водохранилищах, имеющих многоцелевое
назначение. Результаты работ неоднократно докладывались на форумах
различного уровня.
В 2005–2012 гг. были организованы публикации статей в периодических изданиях, доведение результатов исследований до сведения общественности через средства массовой информации.
Малые размеры клеток штамма хлореллы (6–9 мкм), округлые
и овальные их формы являются вполне доступным кормом для личинок
беспозвоночных и молоди рыб.
Применение хлореллы в прудовом рыбоводстве значительно усиливает кормовую базу рыбоводных прудов, так как хлорелла является кормовым ресурсом для дафний и других гидробионтов; кроме того, развитие
хлореллы снижает активность синезеленых водорослей, в результате чего
улучшается кислородный режим водоема и качество воды.
Начиная с 2005 г. наш институт сотрудничает со многими хозяйствами по разведению и выращиванию рыбы в Волгоградской, Ростовской и
Астраханской областях (табл. 4). В ходе проведенных нами исследований
применение хлореллы в Медведицком экспериментальном рыборазводном
заводе и прудовом хозяйстве ООО «Прибой» Волгоградской области [5]
позволило:
увеличить
 поголовье рыбной молоди на 25–30 %;
 выживаемость мальков до 10 %;
 прирост живой массы рыбы на 25–29 %;
сократить
 концентрацию аммония, нитратов и стабилизировать их на безопасном для рыб уровне;
 развитие нежелательных водорослей и микроорганизмов;
65
обеспечить
 выделение недостающих микроэлементов в воду, прервать ее цветение;
 оптимизацию гидрохимических параметров среды в водоеме;
 благоприятные условия для углеродного питания;
 экологическое и биологическое равновесие в водоеме
Таблица 4
Результаты производственных испытаний применения хлореллы
штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 в рыбоводных прудах, 2010 г.
№
п/п
1
2
3
Наименование
Средняя навеска карпа – посадочный
материал, г
Средняя навеска карпа при вылове, г
Прибавка: в г
в%
Показатели на вариантах
опыт с внесением
контроль
хлореллы
50
50
750
–
–
970
220
29
По водообеспеченности, изрезанности гидрографической сети
г. Астрахань правомерно можно назвать российской Венецией. В связи
с явными проявлениями неблагоприятного экологического состояния городских каналов, водоемов и водотоков назрела острая необходимость
снижения степени негативных воздействий и, прежде всего, улучшения
качества воды.
Разработка биологических основ устойчивых водных экосистем
и реализация проекта «Улучшение экологической ситуации городских
водных каналов и превращение их в зону отдыха горожан путем улучшения качества воды и вселения растительноядных рыб» позволит решить
ряд экологических, социальных и хозяйственных проблем:
 повышения самоочищающей способности экосистемы водоемов
за счет утилизации штаммом Chlorella загрязняющих веществ;
 улучшения санитарно-гигиенического состояния водоемов;
 повышения качества воды для водопользователей и сокращения
расходов на ее очистку;
 снижения вероятности появления локальных заморных зон в водоемах;
 улучшения кормовой базы беспозвоночных и рыб за счет структурных изменений фитопланктоценозов;
 увеличения биомассы зоопланктона, наиболее потребляемого звена, улучшения условий нагула молоди рыб и рыб-планктофагов;
 улучшения условий естественного воспроизводства рыб и увеличения рыбопродуктивности водоемов;
66
 возрастания тенденций к равновесию энергии и вещества в экосистеме;
 повышения рекреационной значимости водоемов для населения
за счет снижения степени «цветения» воды в местах отдыха.
Список литературы
1. Мелихов, В. В. Современные экологические проблемы загрязнения водных ресурсов Волжского бассейна и пути их решения / В. В. Мелихов // Экологические проблемы загрязнения водоемов Волжского бассейна, современные методы и пути их решения : матер. Всероссийской науч.-практ. конф. 15–16 апреля 2004 г. / ред. кол.:
В. В. Мелихов (гл. ред.) [и др.]. – Волгоград, 2004. – С. 3–9.
2. Кружилин, И. П. Экологические аспекты устойчивости биоценозов водохранилищ юга России и некоторые пути их решения / И. П. Кружилин, В. В. Мелихов,
И. П. Кузнецов [и др.] // AQUATERRA : тез. докл. 9-й Междунар. конф. 14–15 июня
2006 г. – СПб., 2006. – С. 68–69.
3. Сиренко, Л. А. Биологически активные вещества водорослей и качество воды
/ Л. А. Сиренко, В. Н. Козицкая. – Киев : Наукова думка, 1988.
4. Горюнова, С. В. Водоросли – продуценты токсических веществ / С. В. Горюнова, Н. С. Демина. – М. : Наука, 1974. – 256 с.
5. Отчет по государственному научному гранту Волгоградской области по теме:
«Разработка гидробиологических методов улучшения качества воды, повышения кормовой базы личинок и сеголеток рыборазводных комплексов» / рук. авт. кол.
П. И. Кузнецов. – Волгоград, 2010. – 87 с.
67