Проблема массового «цветения» цианобактерий в водоемах Сибири: последствия, механизмы, прогноз,управление

А. Г.Дегерменджи1, И.И. Гительзон1, Н.Н.Дегерменджи2

}ФГБУН Институт биофизики СО РАН 2ГБОУ ВПО Красноярский Государственный Медицинский Университет

Вода - ценнейший природный ресурс и играет исключительную роль в процессах обмена веществ, лежащих в основе жизни. Огромное значение чистая вода имеет в промышленности и сельском хозяйстве. Для многих живых существ она служит средой обитания. Усиление антропогенного влияния и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой. В настоящее время человечество использует 3,8 тыс. куб. км. воды ежегодно, причем можно увеличить потребление максимум до 12 тыс. куб. км. При нынешних темпах роста потребления воды этого хватит на ближайшие 25-30 лет. Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 куб. м воды в год (1780 л в сутки). Большое количество воды требуется сельскому хозяйству (69%) главным образом для орошения; 23% воды потребляет промышленность; 6% расходуется в быту. Проблема сохранения качества воды является на данный момент самой актуальной. Сегодня воды, пригодной для питья, промышленного производства и орошения, не хватает во многих районах мира.

Важным фактором ухудшения качества воды является «внезапное» массовое развитие цианобактерий (сине-зеленых водорослей) в водохранилищах, озерах и прудах, что приводит к явлению, получившему в литературе название вредоносного «цветения» воды [1-2]. Вредоносность массового развития цианобактерий заключается в продуцировании большого числа опасных для здоровья людей и животных сильнодействующих токсинов, снижении качества воды, нарушении эстетического вида водоема, потере полезных для человека свойств водной экосистемы. Итог цветения воды - нежелательная трансформация трофических связей и общая деградация водных экосистем. Цветение воды, как правило, вызывают только представители пяти родов цианобактерий - Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, OsciLLatoria, Gomphosphaeria. Взрывообразный рост «низкокачественной» продукции цианобактерий приводит к тому, что она практически не утилизируется представителями верхнего трофического звена и по сути вызывает чрезвычайную ситуацию на водоеме. Цветение воды вызывает ряд негативных последствий: летние ночные заморы рыб, массовая гибель бентосных, планктонных и нейстонных животных, а также водоплавающих птиц и млекопитающих. Цианобактерии в периоды массового развития образуют на водоеме поверхностную пленку, экранирующую проникновение солнечной радиации, и вызывают световое «голодание» эукариотических водорослей. Цветение воды влечет за собой заболевания кожи у купальщиков, болезни органов пищеварения у скота после водопоя. После периода цветения накопленная громадная биомасса цианобактерий отмирает и выделяет в воду внутриклеточные токсические вещества и пигменты. Доказано влияние выделяющихся токсинов на сердечно-сосудистую и иммунную системы, деятельность печени и других органов человека. Известны отравления людей при употреблении рыбы и других организмов, содержащих токсины цианобактерий: микроцистин, гепатотоксин и другие сильнодействующие вещества, которые вызывают у человека опухолевые новообразования, раздражения кожи, аллергические реакции.

Яды, вызывавшие отравления, были названы по синдромам отравления: паралитические (сакситоксины, гониотоксины), диарретики, нейротоксины, а также токсины, вызывающие амнезию [10]. Особенно опасны гепатотоксины, разрушающие печень человека и животных и способные в короткие сроки вызвать циррозы и раковые новообразования [8].

Подавляющее большинство водоемов Красноярского края испытывают летнее цветение воды в результате массового развития токсичных цианобактерий. Вредоносные цветения происходит на социально и промышленно значимых водоемах: Красноярском водохранилище, Берешском водохранилище (водоеме охладителе Березовской ГРЭС-1), озере-парке Октябрьский (г. Красноярск), Кантатском водохранилище (г. Железногорск), озере Аничкино (Норильский промрайон) и др.

Как правило, массовое развитие цианобактерий связывают с относительно [7]: 1) высоким содержанием в воде минерального и органического фосфора; 2) низким отношением содержания в воде азота к фосфору (N : Р < 25); 3) низкой численностью дафний, способных потреблять цианобактерий; 4) высокой концентрацией микроэлементов; 5) низкой прозрачностью воды. Тем не менее, наличие одного из этих факторов в отдельности или в сочетании с другими до сих пор не дает возможности точно предсказать возникновение или отсутствие развития цианобактерий в том или ином водоеме. Поэтому для каждого конкретного водоема исследователи опытным путем устанавливают причины «цветения» и, в зависимости от результатов, разрабатывают рекомендации по устранению цианобактерий [9].

В этом докладе мы представим два механизма управления цветением цианобактерий: параметрический, состоящий в сокращении эутрофикации (загрязнение сбросами фосфора) и структурный, связанный с биоманипуляцией.

  • 1. Параметрический механизм суммирует результаты цветения водохранилища Кантат. Его водные параметры: искусственное водное тело для цели отдыха (Кантат - небольшая впадающая река). Объем водохранилища - приблизительно
  • 0.01 куб.км, водная площадь поверхности - 3 кв.км, длина - 3 км, самая большая ширина - 2 км, средняя глубина - 3.5 м, самая большая глубина - 7 м. Водохранилищу свыше 40 лет. Предварительные исследования показали наличие чрезмерного развития водорослей - «цветение»: массовое доминирование не только сине-зеленых водорослей Aphanizomenon, но также и других разновидностей: Anabaena и Microcystis. Наши лабораторные исследования показывают, что разновидности родов Anabaena и Microcystis обычно доминируют с ростом нагрузки минеральным фосфором. Фосфор может поступать с рекой, с ливневыми потоками, атмосферными осадками и выходами со дна.

Результаты исследования этого механизма:

1) была создана база данных и компьютерная программа для прогноза состояния всех компонент Кантатского водохранилища (рис.1):

Прогноз состояния всех компонент Кантатского водохранилища

Рис.1. Прогноз состояния всех компонент Кантатского водохранилища

2) вклад загрязнителей (фосфор), идущий с речным стоком не больше чем 5% от полного эффекта (рис. 2);

  • 3) увеличение расхода реки Кантат (проточность) при тех же самых условиях ее загрязнения не приводит ни к какому положительному эффекту;
  • 4) самый большой вклад в водную эутрофикацию (50-70%) дают донные потоки в толщу воды. Проведенное блокирование этих потоков уменьшило цветение (рис. 2).
Расчетная динамика сине-зеленых водорослей для

Рис.2. Расчетная динамика сине-зеленых водорослей для: 1 - БВ, 2 - водоем на 1 м глубже и поток биогенных элементов сокращен на 50%, 5 - водоем на 1 м глубже и поток биогенных элементов сокращен на 90%, 4 - аэрация водной толщи кислородом (=5) без изменения глубины водоема, 5 - аналогично 4, но кислород (=9).

2. Второй механизм (S) основан на данных биоманипуляции [3-6]: В 2002 «нисходящая» биоманипуляция (сокращение биомассы планктофаговых рыб Carassius auratus) была успешно выполнена в маленьком водохранилище реки Бугач (Красноярск, Россия), после который цианобактериальное цветение прекратилось. Механизм трофического каскада здесь «не работал». Как предполагается, сокращение цветения было результатом подавления прямого эффекта стимуляции планктофа- гами роста цианобактерий, показанного в лабораторных экспериментах. Может ли объяснить лабораторный эффект результат биоманипуляции? Чтобы проверить эту гипотезу, была развита математический модель роста цианобактерий в водохранилище. Результаты моделирования и полевые данные по биомассе цианобактерий летом близко совпали (рис.З). И, наконец, биоманипуляция по уменьшению планктофаговых рыб на самом водохранилище действительно уменьшила цветение.

Теоретическая динамика последствий биоманипуляции в отношении цветения цианобактерий

Рис. 5. Теоретическая динамика последствий биоманипуляции в отношении цветения цианобактерий.

Литература

  • 1. Громов Б.В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал,-1996. №9,- С.33-39.
  • 2. Брагинский Л.П. Принципиальное препятствие к применению химического метода борьбы с “цветением” воды в водохранилищах// Водные ресурсы. - 1977.
  • - №2.- С.5-16.
  • 3. Гладышев М.И. Биоманипуляция как инструмент управления качеством воды в континентальных водоемах// Биол. внутр. вод.- 2001.- № 2.- С.3-15.
  • 4. Гладышев М.И., Чупров С.М., Колмаков В.И. и др. Биоманипуляция в обход трофического каскада на небольшом водохранилище//Доклады АН.-2003.Т.390. № 2.- С.276-277.
  • 5. Колмаков В.И. Методы предотвращения массового развития цианобактерии Microcystis aeruginosa Kutz emend. Elenk. в водных системах // Микробиология.
  • - 2006.-Т.75. № 2,-С. 149-153.
  • 6. Колмаков В.И. К вопросу о возможности применения Hypophthalmichthys molitrix для предотвращения «цветения» воды в сибирских водоемах-охладителях// Сибирский экологический журнал.- 2006.- №1.- С. 65-71.
  • 7. CaffreyJ.M., Monahan С. Filamentous algal control using barley straw//Hydrobio- logia,1999.V. 415. P.315-318.8.
  • 8. Codd G.A., Bell S.G., Kaya K. et al. Cyanobacterial toxins, exposure routes and human health // Eur.J. Phycol. 1999. V.34. P.405-415.
  • 9. Jeppesen E., Sondergaard M., Krovang B. et al. Lake and catchment management in Denmark// Hydrobiologia. 1999. V.395/396. P.419-432.
  • 10. Jochimsen E.M., Carmichael W.W., An J. et al. Liver failure and death after exposure to microcystins at a haemodialysis center in Brazil// New England Journal of Medicine. 1998. V.338. P.873-878.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >