1. Прогноз цветения водоемов
«Цветение воды» водоемов, то есть массовое развитие фитопланктона визуально заметное по изменению прозрачности и цветности водных масс в определенные сезоны года - естественное явление для водных экосистем всех категорий. Смена и сочетание массовых видов водорослей приурочена к периодам оптимального температурного и биогенного состояния среды их обитания. Установлена следующая естественная очередность массового развития различных систематических групп водорослей: в зимний подледный и паводковый периоды преобладают холодолюбивые диатомовые и пирофитовые водоросли, в период летней межени — зеленые и синезеленые, в осенний период — диатомовые, зеленые и синезеленые.
Однако, естественный уровень «цветения» водных масс не высок и может контролироваться развитием зоопланктона и трофическими конкурентами водорослей по потреблению биогенов (соединений группы азота, фосфора и органического углерода) — высшей водной растительностью. Такое «цветение» не создает угрозы вторичного загрязнения водоемов в виде летних и зимних рыбных заморов, токсичного ухудшения качества воды и снижения видового разнообразия водных экосистем.
Речь идет о более мощных и токсичных вспышках «цветения» водных масс, вызванных экологически безответственной хозяйственной деятельностью на водосборах водных объектов. Это прогрессирующее с 20-30-х годов прошлого века явление, квалифицируют как антропогенное эвтрофирование (равно - загрязнение) водных экосистем. Его механизм чрезвычайно прост и много кратно доказан специальными исследованиями: избыточное, с поверхностным стоком и прямыми сбросами сточных вод, поступление в водоем растворенных соединений азота, фосфора и углерода создает неприемлемые условия для развития нетоксичных видов водорослей (диатомовых, зеленых, и др.), но оптимальные для всплеска размножения цианобактерий, различные виды которых становятся массовыми практически круглогодично. Такое цветение уже не контролируется «собственными силами» водных экосистем. Установлено, что прижизненные метаболиты и продукты разложения цианобактерий содержат до 22 видов токсических для гидробионтов и человека соединений, по механизму воздействия классифицируемых как нервно-паралитические яды. Эти вещества проникают в верхние водоносные горизонты подземных вод создают угрозу загрязнения (отравления) воды колодцев и водопроводных систем прибрежных населенных пунктов. Современная масштабность цветения водоемов цианобактериальным комплексом (каскады водохранилищ Волги, Дона, Днепра, водохранилища многих зарубежных стран, малые и средние реки селитебных зон и небольшие пруды сельскохозяйственных ландшафтов) столь велика, что для информационного обеспечения безопасности населения, Всемирной организацией здравоохранения были разработаны ПДК присутствия токсичных метаболитов в водных экосистемах. Созданы три международных центра по проблемам Цветения синезеленых водорослей. В России этой проблемой, ставшей социально-экологической, занимаются ведущие научные центры страны. По данным 2013 года, в период массового развития цианобактерий в каскаде Волжских водохранилищ содержание цианотоксинов превышало установленные ПДК. Санитарно-гигиенические учреждения предупреждают: не купайтесь в водоемах цветущих синезелеными водорослями, не потребляйте выловленную их них рыбу и неочищенную воду, не используйте такую воду для поения домашних и с/х животных; особенно опасен контакт с токсичными водами для детей и людей предрасположенным к аллергии и легочным заболевания.
Таким образом, прогноз характера возможного «цветения» водных экосистем весьма актуален, при этом его актуальность велика не только для крупных водных объектов (водохранилищ больших рек), но и для небольших водоемов рыбохозяйственного и рекреационного использования. Предлагается воспользоваться доступным для исполнения в рамках учебно-исследовательских проектов экспериментальным методом «биогенных добавок» , который может быть реализован в лабораторных условиях или на основе изолированных объемов воды непосредственно в водоеме. Задача такого прогноза состоит в том, что бы определить видовой (групповой) состав массовых видов водорослей прогрессирующее развитие которых было спровоцировано только фактором биогенного обеспечения. Для ускорения прогноза можно подключить температурный фактор. Экспериментально установленные концентрации соединений азота, фосфора и органического вещества (по ХПК, мгО/л), провоцирующие преимущественное развитие комплекса синезеленых водорослей можно рассматривать как недопустимый уровень концентрации биогенов для конкретной водной экосистемы.
Необходимые биологический и гидрохимический контроль:
- оценка исходного (контрольного) гидрохимического состава воды модельного водоема по показателям: NH4 мг/л, NO2 мг/л, NO3 мг/л, PO4 мг/л, ХПК бихроматная мгО/л, ХПК перманганатная мгО/л, сухой остаток мг/л;
- приготовление двух маточных растворов нитратов и фосфатов с точной концентрацией ионов NO3 мг/л, PO4 мг/л для дозированного внесения биогенов в экспериментальные сосуды;
- выявление видового (группового) состава фитопланктона в исходном (контроль) состоянии;
- выявление видового (группового) состава фитопланктона в каждом экспериментальном сосуде при явном развитии в отдельных из них комплекса синезеленых водорослей;
- оценка гидрохимических условий (NH4 мг/л, NO2 мг/л, NO3 мг/л, PO4 мг/л, ХПК бихроматная мгО/л, ХПК пермангантная мгО/л, сухой остаток мг/л) во всех экспериментальных сосудах при явном развитии в отдельных из них комплекса синезеленых водорослей;
- биологический контроль можно сопроводить оценкой численности (экз/л) развития водорослей всех видов (групп) в начале и конце эксперимента.
Для планирования прогнозных экспериментов по внесению добавочного количества биогенов необходимо ориентироваться на уже установленные закономерности в соотношении азота и фосфора в водных экосистемах разного трофического уровня, в том числе тех, в которых развитие цианобактериального комплекса стало обычным явлением
Установлено, что для наиболее чистых олиготрофных и мезотрофных озер характерно отношение азота к фосфору 30-40: 1, для озер с сильно гумифицированной водой это отношение может достигать 130 : 1, для эвтрофных озер оно снижается до 20-25 : 1, для гиперэвтрофных озер до 10-15 : 1, что подчеркивает определяющую роль фосфора в эвтрофировании. Отношение азота к фосфору в коммунальных сточных водах составляет 5 : 1, для сточных вод животноводческих комплексов 3 : 1. Большинством исследователей считают, что при большой степени эвтрофирования лимитирование переходит от фосфора к азоту и отношение азота к фосфору снижается. Многолетними экспериментами с удобрением водоемов показана зависимость обилия цианобактерий от низких отношений азота к фосфору, и что явное доминирование синезеленых водорослей начинается при отношении N:P менее 29:1.
В практике массового культивирования синезеленых водорослей для различных экспериментальных целей используют питательные среды, помимо прочих минеральных и органических солей, содержащие биогены в следующих концентрациях азотсодержащих и фосфорных солей [1]:
Ca(NO3)2 K2HPO4 | 0,5 г/л 0,2 г/л | Азотфиксирующие синезеленые водоросли | Среда Бенеке |
K2HPO4 KNO3 | 0,2 г/л 0,73 г/л | синезеленые | Среда Еленкина |
K2HPO4 Ca(NO3)2 | 0,1 г/л 0,2 г/л | Азотфиксирующие и неазотфиксирующие | Среда Гусева, Телитченко, Федорова |
Эксперимент проводится в двойной повторности и планируется исходя из приведенных условий биогенного обеспечения фитопланктона.
В две контрольные и парное необходимое количество экспериментальных колб емкостью 500мл помещают точно по 350 мл воды из модельного (изучаемого) водоема. Предварительно воду фильтруют через сито «мельничного газа» №30-40 для удаления организмов зоопланктона. После внесения в колбы (кроме контрольных) разных доз биогенов, их помещают в наиболее благоприятные температурные условия и условия освещения, благодаря чему водоросли в них развиваются на 7-10 суток быстрее, чем в модельном водоеме. Если в колбах провоцировалось "цветение" воды, вскоре оно наступит и в модельном водоеме. Таким образом, можно дать кратковременные прогнозы надвигающегося "цветения", а также указать его степень и продолжительность (по снижению концентрации биогенов в эксперименте), что позволит своевременно провести профилактические мероприятия по борьбе с ним. Для определения надвигающегося "цветения" воды необходимо ставить пробы на прогноз "цветения" в течение всего вегетационного сезона. Данная тема исследовательских работ требует контрольно-аналитической поддержки местных ведомственных лабораторий (агрохимических, службы Росгидромета, производственных и др.) и консультаций их специалистов.
Литературные источники
1. и другие. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике. Институт гидробиологии АН Украинской ССР: Наукова думка. Киев-1975.
