CC BY
91
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №1(6), С.23-28
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -
УДК 504.455.058:574.52.64 (4 70.61)
КАЧЕСТВО ВОД ПРИПЛОТИННОЙ ЧАСТИ ЦИМЛЯНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В УСЛОВИЯХ ЦВЕТЕНИЯ СИНЕ-ЗЕЛЕНЫХ
МИКРОВОДОРОСЛЕЙ
© 2013 г. Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова
Южный отдел Института водных проблем РАН, ФБГУ Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону
Поступила в редакцию 10.02.2013 г.
В статье рассмотрены особенности цветения сине-зеленых микроводорослей, проблемы крупных водохранилищ. По результатам экспедиционных исследований ЮО ИВП РАН И ФГБУ «ГХИ» Цимлянского водохранилища в условиях активной вегетации сине-зеленых микроводорослей - «цветения», происходит увеличение трофности и токсичности вод. Все использованные показатели (биомасса фитопланктона, хлорофилл а, рН) и результаты биотестирования свидетельствуют о снижении качества вод: увеличении загрязнения и повышении токсичности.
Ключевые слова: Цимлянское водохранилище, класс и разряд качества вод, сине-зеленые микроводоросли, трофность, токсичность, хлорофилл а, цветение.
Рост антропогенного загрязнения водных экосистем и активно практиковавшееся с середины 20 века зарегулирование стока рек привели к появлению, быстрому распространению и росту процессов эвтрофикации водных объектов различных регионов. Одним из самых неблагоприятных последствий эвтрофикации является массовое развитие сине-зеленых микроводорослей (Cyanophyta) иначе цианобактерий (Cyanobacteria). Это большая и разнообразная группа прокариотических микроорганизмов. В её состав входит свыше ста видов. Систематики относят ее к Bacteria. Однако способность к фотосинтезу позволяет классифицировать их как автотрофные организмы и относить к отделу сине-зеленых микроводорослей.
Наличие и количество пигментов, в частности хлорофилла а, его концентрация служит показателем состояния фитопланктона и позволяет судить и о трофности водного объекта, и о его токсичности, т.е. о качестве вод.
Явление «цветения» сине-зеленых микроводорослей приобрело глобальный характер в условиях продолжающегося антропогенного загрязнения водных объектов. «Цветения» стали обычным явлением в даже в водоемах Северной Европы.
Сине-зеленые микроводоросли, принадлежащие к наиболее примитивным формам жизни, являются источником разнообразных вторичных метаболитов, в т.ч. ингибиторов ферментов и, что особенно важно - токсинов. Такие особенности жизнедеятельности сине-зеленых в условиях их регулярных массовых «цветений» привели к появлению процессов токсификации водных экосистем. Цианобактерии синтезируют широкий спектр токсинов, которые можно разделить с учетом скрининга их активности на две группы: биотоксины и цитотоксины[1]. По химической структуре и направленности действия биотоксины подразделяются на две группы - гепатотоксичные циклические пептиды и нейротоксичные алкалоиды. Первые из них еще называют «факторами быстрой смерти», вызывающими гибель лабораторных животных (мышей) в течение 14 ч; вторые - «факторами очень быстрой смерти» (гибель в течение 2-30 мин).
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
Токсичность биотоксинов оценивают в ходе биотестирования с использованием водных беспозвоночных или небольших млекопитающих - мышей.
Цитотоксины не убивают многоклеточный организм, а влияют на отдельные функции клеток, в частности ингибируют ферменты. Активность цитотоксинов исследуют на культивируемых линиях клеток млекопитающих, часто на опухолевых клетках. Некоторые цитотоксины убивают водоросли и бактерии.
«Цветение» сине-зеленых микроводорослей само по себе является мощным стрессором для водных экосистем и создает множество проблем при рекреационном, хозяйственном и питьевом использовании водоемов. На сегодняшний день накопилось достаточно большое количество фактических материалов о токсическом действии цианобактерий на млекопитающих и человека. При длительном поступлении цианотоксинов в малых дозах с водой могут развиваться заболевания печени, а также регистрируется повышение частоты первичного рака печени. Токсичные «цветения» могут вызывать тяжелые отравления у гидробионтов, животных и представлять опасность для здоровья людей.
Проблема массового развития токсичных цианобактерий в водоемах питьевого и рекреационного назначения с точки зрения опасности для здоровья населения отнесена Всемирной организацией здравоохранения к одной из приоритетных. В большинстве развитых стран установлены ПДК для наиболее распространенных цианотоксинов, определена программа мониторинга токсичного цветения и комплекс мероприятий по предупреждению неблагоприятного воздействия цианотоксинов на здоровье населения. В нашей стране к настоящему времени стандарты безопасного для здоровья человека содержания цианотоксинов в воде и продуктах питания все еще не разработаны.
Сине-зеленые микроводоросли (Cyanophyta) синтезируют разнообразные биологическиактивные вещества, обладающие различным эффектом. По химической структуре они делятся на три основные группы: пептиды (циклические и линейные), алкалоиды и липополисахариды.
По характеру воздействия выделяют четыре группы цианобактериальных токсинов [1]: гепатотоксины, нейротоксины, дерматотоксины и цитотоксины, эндотоксины. Каждая группа включает токсины в соответствии с химической структурой и биологической активностью. Так, гепатотоксины, повреждающие печень, содержат микроцистины, нодулярины, цилиндроспермозин; нейротоксины, воздействующие на нервную систему, -атоксин-а и гомоанатоксин-, анатоксин-а(с), сакситоксины; дерматотоксины, влияющие на кожу, -лингбиатоксин-а, аплисиатоксины; эндотоксины, раздражающие кишечный тракт, -липополисахариды.
Токсины способны образовывать только определенные виды сине-зеленых водорослей токсины, и даже эти виды большую часть времени безвредны. Токсичные виды сине-зеленых микроводорослей принадлежат ко многим родам: Anabaena, Anabaenopsis, Hapalosiphon, Nostoc, Microcystis, Oscillatoria, Planktothrix, Nodularia, Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Umerzakia,Phormidium, Lyngbya, Planktothrix.
Группы цианотоксинов (микроцистины, анатоксины, сакситоксины и цилиндроспермозины) обладают разной химической стабильностью и разной биологической активностью в водном растворе. Так, наиболее устойчивы к химическому гидролизу или окислению при нейтральных значениях рНмикроцистины, принадлежащие к циклическими пептидами,. Микроцистины и нодулярин не разрушаются даже после кипячения. В водоемах в темноте микроцистины могут сохраняться месяцами и годами.
Негативное влияние токсикогенных сине-зеленых микроводорослей на здоровье человека может проявляться при использовании питьевой воды, содержащей токсины; при купании в водных объектах во время «цветения»; использовании продуктов
питания, например рыбы, способной накапливать цианотоксины по пищевым цепям. В то же время наличие в составе фитопланктона «токсичных» видов сине-зеленых микроводорослей не служит доказательством обязательного образования токсинов. Поскольку, во-первых, образование токсинов зависит от комплекса факторов, до настоящего времени однозначно не определенных. Во-вторых, генетическими исследования показано, что ген, ответственный за выработку токсинов, не всегда присутствует в генетическом аппарате «токсичных» [2]. Следует помнить, что не сами сине-зеленые водоросли являются угрозой для человека, а производимые ими токсины.
Массовое развитие цианобактерий (даже вне связи проблем с их токсичностью), снижает качество воды, придавая ей неприятный вкус и запах. Это усложняет проблему выбора источников питьевой воды, рекреационных озер и других водоемов. В частности, для г.Волгодонска Ростовской области единственным источником питьевого водоснабжения является Цимлянское водохранилище.
Цимлянское водохранилище - один крупнейших искусственных водоемов Юга России. Оно создано в 1952-1953 гг. перекрытием плотиной реки Дон в нижнем течении у г. Цимлянска. Это водохранилище многоцелевого использования, оно является важнейшим звеном технической водохозяйственной схемы бассейна Нижнего Дона, обеспечивает транзитное судоходство по Волго-Донскому каналу, выработку электроэнергии Новочеркасской ГРЭС и Цимлянской ГЭС, орошение земель в засушливых районах Ростовской области (РО), служит основным рыбохозяйственным фондом Азово-Донского бассейна, используется для рекреации.
На примере Цимлянского водохранилища рассмотрим основные проблемы крупных искусственных водоемов. Значительный возраст Цимлянского водохранилища - более 50 лет, интенсивное многоплановое использование привело к ряду негативных проблем (табл.1) [3].
Таблица 1. Проблемы Цимлянского водохранилища
Причина Последствия
Зарегулированиереки Дон Существенное изменение гидрологического режима бассейна Нижнего Дона и Азовского моря
Разрушение берегов, заиление ложа
Сукцессии гидробиоценозовс заменой реопланктона на потамопланктон, зарастание ложа макрофитами
Эндогенная эвтрофикация
Снижение рыбопродуктивности
Интенсивное хозяйственное использование Усиление негативного воздействия на экосистему :
загрязнение вод сточными водами от сосредоточенных и диффузных источников, расположенных в акватории водохранилища и в его водоохраной зоне
экзогенная эвтрофикация- бурное развитие сине-зеленых микроводорослей в виде «цветения»
экзогенная токсификация экосистемы (вода, донные отложения)
эндогенная токсификация за счет Cyanophyta
снижение рыбопродуктивности за счет уменьшения кормовой базы
ухудшение санитарно-гигиенического состояния
Изменение климата - повышение температуры Экзогеная и эндогенная эвтрофикация
Эндогенная токсификация
Снижение рыбопродуктивности
К числу основных причинпоявления проблем следует отнести зарегулирование реки Дон, интенсивное хозяйственное использование и наметившееся изменение климата, в частности, - повышение температуры.Это привело к негативным последствиям, к главным из которых следует отнести эвтрофикацию, снижение рыбопродуктивности и интенсивно возрастающую токсификацию.
Одними из основных биологических характеристик эвтрофикации являются увеличение общей биомассы фитопланктона и замена его видового состава (более чем на 90% во время «цветения») сине-зелеными микроводорослями (табл.2) [4].
Таблица 2.- Биологические характеристики эвтрофикации
Показатель Последствия
Увеличение биомассы микроводорослей в целом Блокировка солнечного света
Уменьшение содержания кислорода
Повышение содержания органических веществ за счет большого количества отмерших клеток -эвтрофикация
Последовательная смена видов планктоценозов Замена реопланктона на потамопланктон
Преобладание в фитопланктоне Cyanophyta и Chlorophyta
Изменение характера сезонной динамики и структуры фитопланктона В фитоценозах снижается роль BacШarюphytaи Chrisophyta, увеличивается - Cyanophyta, Dinophyta, а также роль Chlorophytaи Euglenophyta
Увеличение содержания хлорофилла а Важный показатель величины нагрузки питательными органическими веществами
Важный показатель потенциальной гипоксии
Токсификацияэндогенная (токсичность по биотестированию) Угроза токсического отравления людей и животных гепато- и нейротоксинами, выделяемыми Cyanophyta
Ухудшение органолептических качеств воды за счет большого количества отмершего фитопланктона
Токсификация экзогенная (токсичность по биотестированию) Ухудшение органолептических свойств воды за счет промышленных, бытовых и сельскохозяйственных стоков
Характерными показателями увеличения биомассы фитопланктона и вероятной гипоксии служит концентрация хлорофилла а. Результирующей всех сложных внутриводоемных процессов является интенсивно наступающий процесс токсификации.
По результатам комплексных экспедиционных исследований Института водных проблем РАН и ФГБУ «Гидрохимический институт» (2007, 2009-2012) проведена оценка качества вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища по показателям фитопланктона, величины рН и прозрачности.
По этим показателям определены классы и разряды качества вод согласно [5]. Так, класс качества вод по биомассе фитопланктона квалифицировался от четвертого (загрязненная) до 5 (грязная), по концентрации хлорофилла - от 3 (удовлетворительной чистоты) до 4 (загрязненная), по показателю рН вода всех вертикалей относилась к 5 классу (грязная), по прозрачности - от 2 (чистая) до 3 (удовлетворительной чистоты).
В пределах классов разряды указывали, как правило, на более сильный вариант загрязнения. Так, разряд качества вод по биомассе фитопланктона на вертикалях относился к 4б (сильно загрязненная) - 5 а (весьма грязная) - 5б (предельно грязная), по концентрации хлорофилла - 3а (достаточно чистая) - 3б (слабо загрязненная) - 4а
(умеренно загрязненная), по показателю рН - 5а (весьма грязная). В то время как по прозрачности воды относились к разрядам 2б (вполне чистая) - 3 а (достаточно чистая) - 3б (слабо загрязненная).
Гидробиологические показатели загрязнения вод практически совпадали.
Из использованных показателей наиболее высокая степень загрязнения воды вертикалей была по показателю рН-среды, наименее - по прозрачности воды. Сдвиг значений рН в щелочную сторону является косвенным показателем активного фотосинтеза фитопланктона. Наиболее загрязненной была вода на вертикалях 21, 24 и 69 вода по биомассе фитопланктона: разряд качества 5б (предельно грязная).
Содержание сине-зеленых микроводорослей составляло от 67-92% общей биомассы и 67-99% общей численности фитопланктона. Четкой зависимости этих показателей с классами и разрядами качества вод не прослеживалось. Однако подтверждением наличия и усиления процессов токсификации в водной экосистеме Цимлянского водохранилища служат данные биотестирования токсичности вод и донных отложений водохранилища, полученные с использованием четырех тест-объектов различной систематической принадлежности и трофических групп в ходе экспедиционных исследований 2006, 2007, 2011гг. [3,4,6].
ВЫВОД
Качество вод по биологическим показателям складывается из показателей трофности и токсичности. В Цимлянском водохранилище в условиях активной вегетации сине-зеленых микроводорослей - «цветения», происходит увеличение трофности и токсичности вод. Все использованные показатели указывают на снижение качества вод, увеличение загрязнения. Так, трофность по значениям биомассы микроводорослей свидетельствует о повышении загрязнения вод приплотинной части Цимлянского водохранилища вплоть до разряда «предельно грязная», по концентрации хлорофилла а - до разряда «умеренно загрязненная», по значениям рН - до разряда «весьма загрязненная». По результатам биотестирования токсичность вод отдельных вертикалей оценивают как оказывающую острое токсическое действие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волошко, Л.Н. и др. Токсины цианобактерий (CYANOBACTERIA, CYANOPHYTA) [Текст] / Л.Н. Волошко, А.В. Плющ, Н.Н. Титова //Альгология. - 2008. - Т. 18. - №1.
2. Гаврилова, Е.В. Видовой состав, динамика численности и токсичность цианобактерийШершневского водохранилища Челябинской области [Текст] / А.В. Гаврилова : автореф. дис. канд. биол. наук. - Пермь, 2009. - 24 с.
3. Бакаева, Е.Н. и др. Экотоксичность вод приплотинного участка Цимлянского водохранилища [Текст] / Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова, Г.Г. Черникова // Глобальная ядерная безопасность. -2012. - Спецвыпуск (3). - С. 5-10.
4. Бакаева, Е.Н. и др. Эколого-токсикологическая ситуация Цимлянского водохранилища в современный период [Текст] / Е.Н. Бакаева, А.М. Никаноров, Н.А. Игнатова, Г.Г. Черникова // Материалы Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (г. Цимлянск, 23-28 июля 2012 г.) - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 151-157.
5. Оксиюк, О.П. и др. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод суши [Текст] / О.П. Оксиюк, В.Н. Жукинский, Л.П. Брагинский// Гидробиологический журнал. -1993. - Т. 29. - №4. - С. 62-76.
6. Бакаева, Е.Н. и др. Современная эколого-токсикологическая ситуация в отдельных створах Цимлянского водохранилища [Текст] / Е.Н. Бакаева, Н.А. Игнатова, Г.Г. Черникова // Экология. Экономика. Информатика. XXXVI конференция «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» : материалы конф. - Ростов-на-Дону, 2009. - С. 147-149.
Water quality of the Tsimlyansk reservoir dam in conditions of blue-green algae blossoming
E.N. Bakaeva, N.A. Ignatova
Southern Division of the Institute of Water Problems of RAS, FBGUHydrochemical Institute Roshydromet, Stachki avenue, Rostov-in-Don, Russia 344090,
e-mail: [email protected]
Abstract - This article presents the peculiarities of blue-green algae blossoming, the problems of large reservoirs. According to the results of expedition researches of the Southern Division of the Institute of Water Problems and FSBU Hydrochemical Institute Roshydromet during the active blue-green algae growing period, namely blossoming, trophicity and water toxicity of the Tsimlyansk reservoir increase. All the indicators (phytoplankton biomass, chlorophyll a, pH) and biotesting results show the water quality fall-off: increasing of pollution and toxicity level.
Keywords:Tsimlyansk reservoir, class and category of water quality, blue-green algae, trophicity, toxicity, chlorophyll a, blossoming.
