Токсичные выделения - экзометаболиты, информационное поле

Как правило, внешняя фосфорная нагрузка снижается в основном за счет прекращения сброса стоков в водоем или увеличением степени их очистки, а внутренняя фосфорная нагрузка – за счет откачки донных отложений. Так, эксперимент в масштабе целого водоема по снижению внешней фосфорной нагрузки был проведен на водохранилище Виллерест (Франция). В основном притоке водохранилища было достигнуто снижение содержания фосфора почти на 80 %, но это не привело к заметному снижению уровня развития цианобактерий. Предположение о недостаточности снижения фосфора подтверждают отрицательные результаты работ по предотвращению развития цианобактерий на водоемах Финляндии и Дании. В мелководном водохранилище Баутзен (Германия) для снижения уровня развития цианобактерий в 1996-1997 гг. была применена технологическая установка, позволяющая одновременно перекачивать воду из нижних слоев воды в верхние и откачивать донные отложения. Работа установки привела к резкому понижению содержания общего фосфора и увеличению концентрации CO2 в поверхностном горизонте воды. В итоге в 1996 г. развитие цианобактерий было полностью предотвращено, а в 1997 г. – значительно снижено (Беспамятнов Г.П.,).

Известно, что высокое содержание O2 в гиполимнионе приводит к увеличению продолжительности донной стадии в жизненном цикле цианобактерий. Поэтому обогащение O2 придонных слоев воды за счет применения пневматических и эжекторных аэраторов – известный метод предотвращения развития цианобактерий, который широко применялся в последнее время на водоемах Дании и Голландии. В целом, аэрирование является успешным, но недостаточным мероприятием в подавлении развития цианобактерий (Беспамятнов Г.П.,).

Эффективным методом борьбы с цветением воды служит использование калий-, олово-, медь- или хлорсодержащих химических веществ (альгицидов). Так, на примере 21 пруда в Индии было показано, что добавление калия (в виде KCl и KHCO3 ) приводит к селективному подавлению роста колоний цианобактерии Microcystis. В настоящее время накоплен большой материал по успешному применению хлорида железа, сульфата алюминия и меди для ингибирования роста цианобактерий. Широко известен пример успешного предотвращения цветения воды за счет последовательной обработки Al2(SO4)3 и CuSO4x5H2O мелководного озера Коуртиль (Франция). Внесение Al2(SO4)3 в водоем в мае привело к заметному сокращению численности цианобактерии Microcystis , но полностью не предотвратило ее развитие. Поэтому в конце июня, когда цианобактерии еще не образовали пленок цветения, был добавлен CuSO4x5H2O . После обработки медью колонии микроцистиса не встречались в планктоне озера на протяжении двух месяцев (Беспамятнов Г.П.,).

При применении химических веществ исследователи и природоохранные менеджеры часто сталкиваются с тремя проблемами. Первая из них получила в литературе название принципа фазовых реакций. Суть принципа заключается в том, что малая концентрация альгицида стимулирует жизнедеятельность клеток, более высокая – угнетает, еще большая – убивает. Вторая проблема связана с быстрой адаптацией цианобактерий к летальным дозам большинства альгицидов за счет повышения случайных мутаций у металл-резистентных клеток. Третья проблема – гибель некоторых животных из-за отсутствия селективности действия альгицидов. Если перечисленные проблемы не будут решены, то альгициды вряд ли станут широко применяться для предотвращения развития цианобактерий в открытых водоемах. Как известно, гербициды (диурон, симазин, атразин) могут эффективно ингибировать рост цианобактерий. Однако отрицательное влияние гербицидов на водных животных фактически исключило возможность применения данных химических веществ для борьбы с “цветением” воды (Беспамятнов Г.П.,).

К биохимическим методам относят мероприятия по вселению или расселению в водоеме организмов или биологических субстанций, которые выделяют в воду аллелопатические вещества (экзометаболиты), ингибирующие рост микроцистиса. Эти вещества выполняют функцию природных альгицидов, вовлеченных в регуляцию состава водной флоры. Например, рост цианобактерий подавляется с помощью заселения в зоны цветения воды высшей водной растительности (макрофитов). Перспективными в борьбе с микроцистисом считаются экзометаболиты тысячелистника Myriophyllum spicatum и роголистника Ceratophyllum demersum . Так, M . spicatum выделяет четыре полифенола (эллаговая, галловая и пирогалловая кислоты и (+)-катехин), смесь которых вызывает синергическое ингибирование роста цианобактерий. Дополнительный эффект от расселения макрофитов связан с тем, что инициация цветения воды начинается с литоральной (прибрежной) зоны. Заселение данной зоны макрофитами резко снижает возможность перехода цианобактерий из донных отложений в толщу воды, а также уменьшает внутреннюю фосфорную нагрузку за счет сокращения взмучивания донных осадков. Кроме этого, макрофиты вместе с ассоциированными перифитонными водорослями выступают в роли своеобразной “ловушки” для биогенных элементов, в том числе поступающих с рассеянным стоком с берегов и из притоков. Для полного успеха рекомендуют заселять макрофитами около 25 % площади водоема (Беспамятнов Г.П.,).

Одним из самых эффективных биохимических методов борьбы с цианобактериями считается внесение в водоем ячменной соломы. Известно, что разлагающаяся солома ингибирует рост большинства видов цианобактерий. Ранее полагали, что ингибирующие вещества выделяются не из соломы, а из ассоциированной микрофлоры. Последующие исследования показали, что краткосрочный эффект достигается за счет выделения фенольных веществ, а долгосрочный – окислительного распада лигнина. Солому успешно применяли на водоемах Англии, Австралии, США, Южной Африки. Как правило, солому в тюках помещали в трубчатые сети из прочного полиэтилена, подвешивали к бую или закрепляли к якорю и на длительное время оставляли в разных участках водоема. Достоинство метода – длительность ингибиторного действия (6-8 месяцев). Считается, что у данного метода отсутствуют серьезные недостатки и вредные экологические последствия . П рименять его можно в водоемах любого типа, хотя наибольший успех достигается в малых (< 5 га) неглубоких водоемах . В целом, применение биохимических методов предотвращения развития цианобактерий – это эффективный и экономичный метод борьбы с цветением воды. Однако необходимы широкие полевые испытания биохимических методов и разработка научных способов внесения биологических субстанций в водоемы (Беспамятнов Г.П).

Биологические методы предотвращения развития цианобактерий основаны на гипотезе трофического каскада - теории биоманипуляции “top - down” (сверху-вниз). Технически применение биологических методов сводится: 1) к увеличению численности животных, потребляющих цианобактерий в пищу; 2) к сокращению численности животных, способствующих развитию цианобактерий за счет потребления в пищу водорослей - конкурентов цианобактерий за доминирование в планктоне. К потенциальным потребителям цианобактерий традиционно относят крупных дафний и растительноядных рыб, а к видам, способствующим развитию микроцистиса, – карповых планктоядных и бентоядных рыб, некоторых моллюсков. Однако опыт показал, что биоманипуляция, осуществляемая согласно гипотезе классического трофического каскада, только в 20 % случаев эффективна для предотвращения развития цианобактерий. Теоретическое положение о том, что крупные дафнии могут контролировать биомассу цианобактерий в континентальных водоемах, часто не получает экспериментального подтверждения. Например, биоманипуляция, проведенная на немецком водохранилище Баутзен, не привела к сокращению общей биомассы и численности цианобактерий(Беспамятнов Г.П).

Другое положение классической гипотезы трофического каскада – о необходимости элиминации планктоядных и бентоядных карповых рыб из водоема - получает все большее практическое подтверждение. Практическая биоманипуляция, осуществленная на красноярском водохранилище Бугач, показала, что карповые рыбы – один из важных биологических факторов, способствующих развитию Microcystis в водоемах. Положительное влияние карповых рыб на рост микроцистиса определяется следующим. Во-первых, карповые рыбы постоянно взмучивают донные отложения при добывании пищи, что приводит к резкому увеличению потока биогенных элементов из седиментов в толщу воды. Во-вторых, карповые рыбы стимулируют развитие микроцистиса за счет прямой экскреции фосфора. При этом рыбы экскретируют азот и фосфор в постоянной пропорции N : P =12:1, которая считается благоприятной для развития микроцистиса. В-третьих, представители карповых рыб, в частности карась и плотва, могут стимулировать развитие Microcystis при транзитном прохождении данной цианобактерии через их кишечники (Беспамятнов Г.П).

Известным биологическим способом подавления массового развития цианобактерий является вселение в водоем растительноядной рыбы белого толстолобика Hypophthalmichthys molitrix Val. Несмотря на то, что H. molitrix давно применяется для борьбы с “цветением” воды, вопрос о способности данного вида рыб предотвращать развитие микроцистиса остается спорным. Согласно экспериментальным данным, полученным в озере Донгху (Китай) и малом искусственном пруду (Индия), вселение H. molitrix приводило к элиминации цианобактерий. Однако часто экспериментаторы при вселении H. molitrix сталкивались с отрицательным эффектом, например, на некоторых водоемах в Венгрии и России (Соколова В.Н).

Недостаток большинства выполненных экспериментов по предотвращению развития цианобактерий в континентальных водоемах – отсутствие предварительных расчетов и анализа многолетних результатов мониторинга гидробиологических, гидрохимических и гидрофизических характеристик водоема. Редко применяется математическое моделирование, роль которого важна для прогноза результатов воздействия на развитие цианобактерий в масштабе целого водоема. Практически не используются комплексные экотехнологии, предполагающие комбинированное использование недорогих физико-химических, биохимических и биологических методов, не нарушающих экологических норм и улучшающих эстетический вид водоема (Соколова В.Н).

В целом, распространение токсического цветения воды в пресных водах приобретает характер глобальной проблемы. В Норвегии, Финляндии, Англии, Швеции и некоторых других странах токсичные цветения рассматриваются в качестве национальной проблемы: созданы специальные центры по их изучению и государственная служба мониторинга цветения цианобактерий. Ответы на вопросы, как и почему цветение происходит, а также как бороться с цветением, актуальны не только для гидроэкологов, но и для государственных органов, занимающихся охраной здоровья населения. Известные методы контроля развития цианобактерий в масштабе целых водоемов, как правило, являются трудоемкими и требуют высоких финансовых затрат. Перспектива методологии борьбы с массовым развитием цианобактерий принадлежит комплексным экотехнологиям, выполненным на основе сочетания биологических, физико-химических и биохимических методов (Соколова В.Н).

Объективная причина глобального распространения токсичных цианобактерий - рост населения Земли и связанное с ним развитие промышленности и сельского хозяйства. Поэтому необходимо предпринимать практические шаги, направленные на сдерживание развития токсичных цианобактерий. Ситуация усугубляется низкой экологической грамотностью большинства хозяйственных руководителей и широких слоев населения, отсутствием эффективной системы правовых и экономических рычагов, стимулирующей природоохранную деятельность и борьбу с цианобактериальным цветением. Исторически сложилось, что в России уделяется мало внимания социальным функциям экологической науки, например воспитанию и привлечению молодежи к занятию экологией. Борьба с цианобактериями может позволить преодолеть ограниченность традиционного подхода и оказать прямое воздействие на социальную жизнь. Так, для борьбы с цветением необходимо по берегам высаживать деревья, которые препятствуют поступлению фосфора (основного стимулятора роста цианобактерий) с прибрежных территорий. Это можно осуществить только при активном привлечении молодежи и волонтеров. Другими словами, экологические технологии борьбы с цветением воды могут стать "естественным" центром притяжения для социально активных людей (Соколова В.Н).

Водный гумус

В природных водах обнаружено более половины известных химических элементов. По своей природе примеси воды подразделяются на минеральные и органические, находящиеся в воде во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии (Алферова А.А).

Для подземных источников водоснабжения характерно небольшое содержание или отсутствие органических примесей, повышенная минерализация, иногда присутствие газов (С02, H2S, СН4) (Алферова А.А).

 Среди поверхностных  источников водоснабжения различают водоемы с малой минерализацией: содержание солей до 200 мг/л, средней — 200—500 мг/л и повышенной — 500—1000 мг/л (Алферова А.А).

 Около 90% общего солесодержания  приходится на главные ионы: Na+, Са2+, Mg , К+ и НСОз, SO4, СГ. По классификации О.А. Алехина природные воды в зависимости от преобладающего аниона подразделяются на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Внутри класса выделяются группы с преобладающим катионом: натриевая, кальциевая, магниевая (Алферова А.А).

 В ионном составе  рек с малой и средней минерализацией преобладают НСОз, Са , Mg2+. Водоисточники этого типа распространены на севере и в средней полосе страны и питаются главным образом за счет поверхностного стока (Жуков А.И.).

 В ионном составе  рек и озер с повышенной  минерализацией преобладают SO2 СL, Na+, так как они питаются подземными водами. Такие водоемы распространены в основном в засушливых южных районах (Жуков А.И.).

Содержание органических веществ в поверхностных водоемах изменяется в широких пределах. Органические вещества образуются в самом водоеме (развитие водорослей) и привносятся в него с ливневыми и талыми водами с площади водосбора. Максимум органических веществ наблюдается обычно в период паводков. Большая часть органических веществ представляет собой гумус. Водный гумус образуется в процессе разложения остатков водных растений. Кроме того, гумусовые вещества попадают в водоем в результате вымывания их из почвы. Почвенный гумус состоит из нерастворимой части и гуминовых и фульвокислот. Гуминовые кислоты с молекулярной массой 1200—1400 и содержанием углерода 52— 58 % могут образовывать в воде взвеси, коллоидные и истинные растворы. Фульвокислоты — также высокомолекулярные соединения, содержат меньше углерода — 45—48%, более диссоциированы и могут присутствовать в воде в коллоидном и истинно растворенном состоянии (Жуков А.И.).

Переходя из почвы в воду, гумусовые вещества окрашивают ее в желтый или коричневый цвет в зависимости от их концентрации. Следует отметить, что во всех подземных и поверхностных водоисточниках качество воды разное. Нет двух одинаковых по качеству воды рек, двух артезианских скважин, двух колодцев. Более того, в каждом водоисточнике, особенно поверхностном, характер воды меняется с течением времени (Жуков А.И.).