БИОКОМФОРТ

Биокомфорт 74
РФ, г.Челябинск, ул. Елькина, д. 76-а, офис 01
Тел.: +7 922-63-44444
E-mail: biokomfort@bk.ru

Токсичное «цветение» воды континентальных водоемов:
глобальная опасность и методы ликвидации

В.И.Колмаков, доктор биологических наук, профессор кафедры гидробиологии и ихтиологии

Массовое развитие цианобактерий (сине-зеленых водорослей) в водохранилищах, озерах и прудах приводит к явлению, получившему в литературе название вредоносного “цветения” воды. 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. Взрывообразный рост «низкокачественной» продукции цианобактерий приводит к тому, что она практически не утилизируется представителями верхнего трофического звена.

В чем вредоносность цветения воды и производства избыточной продукции цианобактерий для человека и водоема в целом?

Во-первых, цветение воды вызывает ряд нежелательных последствий и негативно отражается на животных водной экосистемы. Это 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 – конкурентов цианобактерий и основной пищи организмов зоопланктона и зообентоса.

Во-вторых, цветение воды влечет за собой заболевания кожи у купальщиков, болезни органов пищеварения у скота после водопоя. В-третьих, массовое развитие цианобактерий изменяет окраску воды и придает ей специфический вкус, уменьшает прозрачность воды, ухудшает ее органолептические показатели, приводит к дефициту растворенного в воде кислорода, создает существенные помехи в питьевом и техническом водоснабжении, нормальной работе тепловых и гидроэлектростанций, снижает рекреационные качества водоема. В-четвертых, в процессе жизнедеятельности цианобактерий происходит токсификация всей водной экосистемы. После периода цветения накопленная громадная биомасса цианобактерий отмирает и выделяет в воду внутриклеточные токсические вещества и пигменты.

Впервые смертельные случаи отравления цианобактериальными токсинами были зарегистрированы в 1793 году, когда капитан Георг Ванкувер и его команда высадились в Британской Колумбии. Ванкувер заметил, что у некоторых индейских племен существует табу на употребление моллюсков, когда вода начинает зацветать, т.е. приобретать зеленоватый оттенок. Уже в наше время определили, что подобные отравления вызываются алкалоидными токсинами паралитического действия, которые накапливаются моллюсками. Около 500 мкг такого яда, который легко накапливается в тканях моллюсков, оказывается смертельной дозой для человека. Первая официальная публикация относится к 1878 году, когда в журнале “Nature” была помещена статья, сообщающая о гибели лошадей, свиней и собак после употребления воды из цветущего водоема.

Контакт с водой или потребление рыбы из водоема, подверженного интенсивному развитию цианобактерий, может стать причиной возникновения тяжелой формы болезни, которая получила название по географическому месту ее первого обнаружения (гаффская, или юксовско-сартланская, болезнь).

Анализируя результаты экспериментальных работ, группа украинских ученых во главе с А.Я. Маляревской пришла к заключению, что в основе гаффской болезни лежит B1-авитаминоз, возникающий вследствие поступления в организм человека фермента тиаминазы, который разрушает необходимый для нормального функционирования метаболических процессов нервной ткани и дыхательных энзиматических систем витамин B1. На сегодняшний день известно, что отрицательное влияние токсинов цианобактерий имеет значительно больший спектр действия. Доказано влияние токсинов на сердечно-сосудистую и иммунную системы, деятельность печени и других органов человека.

В настоящее время ежегодно приходит около 150 тысяч сообщений об отравлениях 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. Печальную известность получили трагедии в различных районах мира. Например, в городе Каруару (Бразилия) в 1997 году 60 человек умерло и 68 тяжело заболело после потребления воды из местного “цветущего” водохранилища, содержащего большое количество токсинов цианобактерий. Присутствие в воде токсинов цианобактерий причиняет существенный вред промысловым рыбам, высшим млекопитающим, ценным беспозвоночным животным, в частности речным ракам. Другими словами, сильнодействующие цианобактериальные токсины способны не только изменять биологическую структуру пресных водоемов, но и приносить ущерб хозяйственной деятельности человека.

Яды, вызывавшие отравления, были названы по синдромам отравления: паралитические (сакситоксины, гониотоксины), диарретики, нейротоксины, а также токсины, вызывающие амнезию. Особенно опасны гепатотоксины, разрушающие печень человека и животных и способные в короткие сроки вызвать циррозы и раковые новообразования. Один миллиграмм биомассы цианобактерий из красивейшего карельского озера оказался смертельным для белой мыши при парэнтеральном введении. К сожалению, токсины весьма устойчивы и не разрушаются при хлорировании воды или ультрафиолетовой обработке. По последним данным, описанным в зарубежных научных журналах, отдельные токсины (например, микроцистин) при попадании в организм домашних животных при водопое практически не разрушаются. Далее токсины могут поступать в организм человека при потреблении им молока или мяса домашних животных.

Подавляющее большинство водоемов испытывают летнее цветение воды в результате массового развития токсичных цианобактерий. Вредоносные цветения происходит на социально и промышленно значимых водоемах. Летний отдых на цветущих водоемах приобретает массовый характер. При этом население подвергает риску свое здоровье и жизнь, что обоснованно вызывает обеспокоенность у медицинских работников.

По статистике, летом многократно возрастает количество обращений в больницы после купания людей на местных водоемах. Чаще всего человека беспокоят раздражения кожи и аллергические заболевания. Все должны знать об опасности купания в “цветущих” водоемах и использования воды из данных водоемов в садоводческих или иных целях. Необходимо провести восстановление качества воды в наиболее удобно расположенных и часто посещаемых водоемах путем ликвидации цветения цианобактерий с помощью научно обоснованных мероприятий.

В летний период часто из-за дефицита кислорода на водоемах происходит замор мальков или половозрелых рыб, в том числе и промысловых. Вода большинства цветущих водоемов используется для водопоя животных. При этом происходит накопление токсинов в теле животных, которые в конечном итоге поступают к человеку. К сожалению, статистика гибели животных и людей от токсинов цианобактерий не ведется. Однако совершенно очевидно, что многократные случаи падежа скота и смерти людей от рака печени объясняются влиянием токсинов цианобактерий. Даже в благополучной Европе подобные случаи носят систематический характер. Например, в литературе сообщается о гибели в Швейцарии 105 коров после водопоя из цветущего озера. Подобные трагедии зафиксированы в Англии, Бельгии, Люксембурге и других странах.

Цианобактерии (или сине-зеленые водоросли) – это вариабельные по размерам (от долей микрометра до десятков миллиметров) бактериальные организмы, способные осуществлять процесс оксигенного (с выделением кислорода) фотосинтеза. Описано более 1500 видов цианобактерий, среди них есть формы одноклеточные, колониальные или нитчатые. Размножаются цианобактерии делением, почкованием или дроблением клетки на ряд дочерних клеток. Отдельные клетки или нити у некоторых цианобактерий способны ползать по плотному субстрату. Цветение воды, как правило, вызывают только представители пяти родов цианобактерий – Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Oscillatoria, Gomphosphaeria.

Колонии и клетки цианобактерий, вызывающих цветение воды, обладают разнообразными адаптивными механизмами, определяющими успешное развитие их в тех или иных условиях. Например, они имеют высокую скорость размножения, эффективную защиту от ингибирующих интенсивностей солнечного света, различные механизмы регулирования вертикальной плавучести. В слизи, покрывающей колонии некоторых цианобактерий, постоянно находятся гетеротрофные и фототрофные бактерии, простейшие, пикопланктонные автотрофные организмы и т.д. Этот “конгломерат” сопутствующих организмов значительно повышает устойчивость колоний цианобактерий к неблагоприятным воздействиям окружающей среды, например, помогает выжить колонии в темноте за счет органических веществ, накопленных конгломератом. Перечисленные свойства и специфика строения колоний цианобактерий значительно затрудняют разработку методов сокращения их численности.

Как правило, массовое развитие цианобактерий связывают с относительно: 1) высоким содержанием в воде минерального и органического фосфора; 2) низким отношением содержания в воде азота к фосфору (N : P <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.

Цианобактерии способны противостоять потреблению зоопланктоном, формируя крупные колонии и выделяя в воду токсины и экзометаболиты. Кроме этого, одноклеточные и колониальные цианобактерии обладают колоссальным потенциалом размножения. Каждая клетка в течение вегетационного сезона способна дать до 1020 потомков, поэтому даже устранение 80-90 % популяции цианобактерий в том или ином водоеме не исключает возможности новых вспышек “цветения”.

В процессе жизнедеятельности цианобактерии в дневное время подщелачивают водную среду, поглощая в результате фотосинтеза ионы CO3 из карбонатов. Накапливающиеся в среде ионы Na+ и K+ сдвигают рН в щелочную сторону. При щелочной среде цианобактерии получают преимущество по сравнению с конкурентными видами планктонных водорослей. Основные источники пополнения ресурсов цианобактерий сосредоточены в донных отложениях. В период цветения вся масса цианобактерий всплывает, а после цветения большая часть клеток и колоний формирует зимующие формы, которые находятся на дне водоема до следующего вегетационного периода. Источником пополнения ресурсов цианобактерий являются также сухие корки, образующиеся из нагонных береговых выбросов, и витающие в воздухе специальные формы цианобактерий. Устранить эти источники заражения воды практически очень сложно. Перечисленные свойства и специфика строения выводят цианобактерий на ведущие позиции в планктоне водоемов, а зачастую позволяют вытеснять из планктона почти все другие виды эукариотических водорослей.

Если строение, физиология и экология цианобактерий на планктонной стадии их жизненного цикла в значительной мере изучена, то полного понимания механизмов “цветения” и эффективных методов устранения цианобактерий пока нет. В настоящее время в мире активно осуществляется разработка теоретических основ и поиск практических мероприятий по борьбе с массовым развитием цианобактерий в континентальных водоемах. Все описанные в литературе последних лет способы борьбы с развитием цианобактерий можно условно разделить на четыре категории: физико-химические, химические, биохимические, биологические.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

БИОКОМФОРТ
Автономные системы канализации и водоподготовки
Система управления сайтом Host CMS