CC BY
119
12. Sazonova, T. A. Jekologo-fiziologicheskaya harakteristika sosny obyknovennoj [Tekst] / T. A. Sazonova, V. K. Bolondinskij, V. B. Pridacha. - Petrozavodsk: Verso, 2011. - 206 p.
13. Salugin, A. N. Dinamika jelementov vodnogo balansa v modelyah pochvennyh gidro-logicheskih processov [Tekst]/ A. N. Salugin, A. K. Kulik, M. V. Vlasenko // Rossijskaya sel'sko-hozyajstvennaya nauka. - 2018. - № 3. - P. 47-50.
14. Salugin, A. N. Chislennoe modelirovanie vertikal'nogo dvizheniya vlagi v zone ajeracii [Tekst]/ A. N. Salugin, A. K. Kulik, M. V. Vlasenko // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2018. - № 2 (50). - P. 57-64.
15. Strategiya zaschitnogo lesorazvedeniya v Volgogradskoj oblasti na period do 2025 goda [Tekst]/ K. N. Kulik i [dr.]. - Volgograd: FNC agrojekologii RAN, 2017. - 39 p.
16. Forrest, G. I. Genotypic variation among native Scots Pine populations in Scotland based on monoterpene analysis [Tekst] / G. I. Forrest // Forestry. - 1980. - №. 53. - P. 101-128.
E-mail: [email protected] УДК 634.93:521 DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-30
СОВРЕМЕННАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ В УЛУЧШЕНИИ КАЧЕСТВА ВОДЫ ОТКРЫТЫХ ВОДОЕМОВ МНОГОЦЕЛЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
MODERN BIOTECHNOLOGY IN IMPROVING THE WATER QUALITY OF OPEN MULTI-PURPOSE RESERVOIRS
М.В. Фролова, кандидат биологических наук О.П. Комарова, кандидат сельскохозяйственных наук
М.В. Московец, старший научный сотрудник
M.V. Frolova, O.P. Komarova, M.V. Moskovets
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия»,
г. Волгоград
FSBSI the All-Russian research institute of irrigated agriculture, Volgograd
При антропогенном эвтрофировании и загрязнении водоемов происходит деградация водных источников. В результате ускоряются жизненные процессы фитопланктона, в том числе получают массовое развитие сине-зеленые водоросли. Целью исследований являлось повышение качества воды в открытых водоемах многоцелевого использования на основе разработанной научно обоснованной биотехнологии. Исследования проводили на заливах Береславского водохранилища (Волгоградская область) по общепринятым методикам. Разрабатываемая биотехнология основана на структурной перестройке фитопланктона путем вселения микроводоросли Chlorella vulgaris (штамм ИФР № 111). Пробы воды для гидрохимических и гидробиологических анализов отбирались батометром в местах забора воды для систем орошения и приближенных к станциям вселения, а также в контрольных заливах, где хлорелла не вселялась, период отбора - один раз в месяц (с марта по сентябрь). В результате проведенных исследований установлено, что хлорелла, адаптируясь, входит в состав водоема, и происходит сдвиг видового состава планктонных водорослей в сторону зеленых. Показано, что основное количество биогенов, поступающих в водоем, используется на биологические процессы, которые способствуют самоочищению водоема. Преобладание зеленых водорослей в альгоценозе является фактором сдерживания в развитии сине-зеленых, а следовательно, предотвращения «цветения» воды и улучшения ее качества. Величина индекса загрязнения воды (ИЗВ) составила 0,635 единиц, что позволяет отнести воду на Береславском водохранилище ко II классу качества воды. Таким образом, разработанная биотехнология может быть использована на водоемах многоцелевого назначения.
At the anthropogenic eutrophication and pollution of reservoirs there is a degradation of water sources. As a result vital processes of phytoplankton accelerate, including blue-green seaweed gain mass development. The purpose of researches was to increase quality of water in open reservoirs of multi-purpose use on the basis of the developed evidence-based biotechnology. Researches were con-
ducted on gulfs of the Bereslavsky reservoir (Volgograd region) by the standard techniques. The developed biotechnology is based on restructuring of phytoplankton by installation of a microalga of Chlorella vulgaris (a strain of IFR No. 111). Tests of water for hydrochemical and hydrobiological analyses were selected batometry in places of an intake of water for irrigation systems and brought closer to stations of installation and also in control gulfs where the hlorella wasn't installed, the selection period - once a month (from March to September). As a result of the conducted researches it is established that the hlorella, adapting, is a part of a reservoir, and there is a shift of specific structure of planktonic seaweed towards green. It is shown that the main quantity of the biogenes coming to a reservoir is used on biological processes which promote self-cleaning of a reservoir. The prevalence of green seaweed in an algotsenoza is a control factor in development blue-green, and, therefore, prevention of "blossoming" of water and improvement of her quality. The size of the index of pollution of water (IPW) was 0,635 units that allows to carry water on the Bereslavsky reservoir to the II class of quality of water. Thus, the developed biotechnology can be used on reservoirs of universal purpose.
Ключевые слова: экология, фитопланктон, зеленые водоросли, сине-зеленые водоросли, цветение воды, эвтрофикация, качество воды, открытые водоемы.
Key words: ecology, phytoplankton, green algae, blue-green algae, water bloom, eu-trophication, water quality, open water.
Введение. С каждым годом в мире возрастает дефицит водных ресурсов, в том числе пресной воды. Известно, что народонаселение мира использует только 54 % возобновляемой пресной воды. Если учитывать темпы роста народонаселения Земли (ежегодный прирост составляет около 85 млн человек), прогнозируется, что к 2025 году этот показатель возрастет до 70 %. В Российской Федерации, обладающей значительным водно-ресурсным потенциалом, объем суммарных ресурсов пресных вод оценивается в 10 803 куб. км/год. Россия занимает второе место в мире после Бразилии по объемам годового стока рек, который составляет 4861 куб. км [9].
Реки являются основой водного фонда России, вместе с тем практически на всех реках отмечается значительное антропогенное воздействие, приводящее к загрязнению и непригодности ее использования для питьевых целей. Важной проблемой является также ухудшение качества воды поверхностных водоемов многоцелевого назначения, которое часто не соответствует нормативным требованиям и в большинстве случаев оценивается как неудовлетворительное [5]. Процессы загрязнения поверхностных и подземных вод приобрели особую остроту и глобальный характер. Поверхностные водные объекты не могут служить источниками водоснабжения из-за риска нанесения вреда здоровью населения, а использование подземных приводит к истощению водных ресурсов и сокращению источников питьевого водоснабжения [1]. В связи с загрязнением промышленными, сельскохозяйственными, бытовыми стоками появляется избыток азота, фосфора и хлорсодер-жащих веществ, начинаются биогенные мутации, беднеет флора и фауна, в результате чего часто наблюдается «цветение» водоемов. Самоочищение водоемов обеспечивается деятельностью бактерий, грибов, высших растений, беспозвоночных животных, рыб. Наиболее активную роль в процессе очищения воды играют водоросли и грибы, устрицы, моллюски, амебы. Вместе с тем фитопланктон не всегда играет положительную роль в очищении водоемов. При его массовом развитии, особенно сине-зеленых водорослей (Aphanizomenon flos-ague, Anabaena lemmermannii и Microcystis aeruginosa), которые вызывают «цветение воды», происходит загрязнение и эвтрофирование водоемов [4].
В процессе массового отмирания после «цветения» сине-зеленые водоросли выделяют неприятный запах и ядовитые вещества, ухудшают качество воды, приводят к гибели рыбы, создают засоры в механизмах насосных станций. В первую очередь, это относится к классу сине-зеленых водорослей, являющихся доминантами в планктоне эвтрофных водоемов, плотность биогенных элементов в которых в период «цветения»
достигает 500 г/м . Несмотря на принимающиеся за последние годы меры по улучшению экологического состояния водоемов, проблема «цветения» воды остается актуальной. Разложение массы сине-зеленых водорослей сопровождается специфическим неприятным запахом, биомасса в нагонах составляет
2-3 кг/м2 [3].
Многими учеными и практиками предлагались и использовались различные методы защиты водоемов от «цветения», в первую очередь, сине-зеленых водорослей: физические (механические), химические, биологические, бактериальные и другие.
Из физических методов изучалось внесение в водоемы глины, повышающей мутность воды и подавляющей фотосинтез водорослей, сбор биомассы различными устройствами с последующей ее утилизацией. Однако практического применения они не нашли в связи с низкой технологичностью, высокими затратами и малой эффективностью. По этим же и другим причинам не получил распространения и способ защиты водоемов от «цветения» воды с использованием химических препаратов, при котором применяли внесение в водоемы медного купороса, газообразного хлора, хлорной извести, катодного серебра и др. [5]. Широко используемый метод бактериальной стерилизации воды в питьевом водоснабжении по целому ряду показателей оказался неприемлемым в открытых водоемах. Биотехнология улучшения качества воды становится весомым и перспективным фактором развития агропромышленного комплекса, при этом использование специальных высокопродуктивных микроводорослей эффективно, экологически безопасно и позволяет получить экологически чистые продукты питания без содержания нитратов и пестицидов. К микроводорослям относится представитель многочисленного семейства микроскопических водных растений из зеленых водорослей хлорелла [2].
Материалы и методы. Нами проводились исследования по разработке и практическому освоению современной биотехнологии повышения качества воды в открытых водоемах. Основаны они на структурной перестройке фитопланктона с использованием для вселения в водоемы штамма хлореллы Chlorella vulgaris ИФР № С-111 (патент РФ № 1751981). Исследования по вселению хлореллы проводились на заливах Береславского водохранилища Волго-Донского судоходного канала, предварительно были изучены гидрохимическое и гидробиологическое состояния водоемов. В работе использовались справочные данные и статистические материалы Нижне-волжского водного бассейнового управления, Волго-Донского судоходного канала, управления природных ресурсов Волгоградской области, собственные результаты исследований по современному состоянию гидрохимического и гидробиологического режимов водоемов Нижнего Поволжья в течение 2010-2017 гг. Изучение состояния химического состава воды, количественного и качественного составов гидробионтов (фитопланктона), а также адаптация штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 проводились на водоеме в местах водозабора воды для орошения сельскохозяйственных культур при сезонных выездах. Для проведения научно-исследовательских работ использовались общеизвестные методики.
Выращивание штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111 проводилось на элективной питательной среде (N-64, P-8, Fe-0,1, Co-0,001, Cu-0,001 мг/л). Определение плотности культуры по оптическому светопропусканию и подсчету клеток - в камере Горяева.
Пробы воды отбирались батометром в точках вселения хлореллы и контрольных. При обработке проб воды на фитопланктон они фиксировались раствором Утер-меля с добавлением формалина, были использованы методические рекомендации зоологического института РАН и Росгидромет [6, 7, 8]. Анализы воды выполнялись в аккредитованных гидрохимических и гидробиологических лабораториях. Вода исследовалась по 13 показателям гидрохимического состава, в числе которых температура, рН, степень насыщения кислородом, БПК, ХПК, нитраты, нитриты, хлориды, кальций, марганец, фосфаты, жесткость и др.
Одной из основных характеристик качества воды водного объекта является индекс загрязненности воды (ИЗВ). ИЗВ рассчитывался по химическим показателям среднегодового значения по формуле:
ИЗВ л СбШ^, 6
где ИЗВ — индекс загрязнения воды; С^ - среднегодовая концентрация >го загрязняющего вещества в водном объекте, мг/л; ПДК - предельно допустимая концентрация >го загрязняющего вещества в воде, мг/л; С/ПДК - относительная (нормированная) среднегодовая концентрация; п — количество показателей, по которым определяется индекс загрязнения воды (п = 6 - показатели, вносящие наибольший вклад в загрязнение данного водного объекта - растворенный кислород, легкоокисляемые органические вещества (по БПК5), азот аммонийный, азот нитритный, фосфор фосфатов и нефтепродуктов).
Результаты и обсуждение. По данным прошлых лет, в Береславском водохранилище наблюдалось «цветение» воды, вызванное сине-зелеными водорослями, био-
3 3
масса которых в летний период достигала 18 г/м , а в заливах и бухтах - до 40 г/м . Начиная с 2011 года за период с марта по сентябрь ежегодно в заливы Береславского водохранилища вселяли хлореллу, отбирали пробы фитопланктона. В результате вселения хлореллы численность клеток и биомасса сине-зеленых водорослей снижались, а зеленых - увеличивались (таблица 1).
Таблица 1 - Состояние фитопланктона Береславского водохранилища в 2017 году
Наименование Период учетов
март апрель май июнь июль август сентябрь
Численность клеток, тыс. кл./л
Сине-зеленые 13 32 58 90 1549 1430 520
Зеленые 82 256 393 610 2950 8740 2410
Биомасса водорослей (мг/л)
Сине-зеленые 0,018 0,047 0,057 0,071 0,540 0,430 0,190
Зеленые 0,047 0,201 0,293 0,930 3,400 7,471 2,005
Для контроля расселения адаптированного штамма по заливам водохранилища пробы воды отбирали на участках, куда штамм не вносился. При рассмотрении под микроскопом во всех пробах воды были обнаружены клетки Chlorella vulgaris. Для подтверждения того, что хлорелла относится к штамму Chlorella vulgaris ИФР № С-111, пробы образцов воды культивировались на элективной питательной среде. Во всех пробах обнаружена планктонная форма хлореллы, которая по морфологическим и физиологическим признакам идентична штамму Chlorella vulgaris ИФР № С-111. В процентном отношении от общей численности фитопланктона хлорелла составляла 1 % весной и 3 % летом. Следовательно, акклиматизация планктонного штамма хлореллы в заливах водохранилища прошла успешно, она расселилась по всей акватории водоёма. Исследованиями установлено, что хлорелла (штамм Chlorella vulgaris ИФР № С-111) подавляет развитие сине-зеленых водорослей, а также создает оптимальные условия для массового развития зеленых, вода в результате чистая и не «цветет».
Гидрохимические исследования воды Береславского водохранилища в 20102017 гг. проведены сотрудниками ФГБНУ ВНИИОЗ и Испытательной лаборатории ФГУ «Управление эксплуатации Волгоградского водохранилища».
Сравнение состава фитопланктона в заливах опытной группы, куда хлорелла вносилась, и контрольной обнаружило положительное влияние вселяемого объекта на структуру планктонных альгоценозов даже при тех незначительных количествах, которые обнаруживались в водохранилище. Альгоценозы на опытных участках отличались более низкой концентрацией сине-зеленых и видов-возбудителей «цветения» воды, разнообразной структурой и повышенным удельным весом водорослей, более предпочтительных в кормовом и санитарно-гигиеническом отношении. Непосредственное наблюдение за влиянием штамма Chlorella vulgaris на состояние природного планктона в стадии «цветения», проведенное в эксперименте с изолированными объемами воды, подтвердило ингибирующее воздействие хлореллы на возбудителей «цветения» Anabaena flos-aqua и Microcystis aeruginosa. При направленном антропогенном воздействии на фитопланктон Береславского водохранилища установлено, что впервые за последние годы значительно улучшилось качество воды в местах вселения хлореллы, ИЗВ снизился с 1,210 до 0,635 (таблица 2).
Таблица 2 - Динамика изменения качества воды (по ИЗВ) _Береславского водохранилища (2010-2017 гг.)_
Год Величина ИЗВ Класс качества воды Описание класса
2010 1,210 третий умеренно загрязненная
2011 0,911 второй чистая
2012 0,881 второй чистая
2013 0,800 второй чистая
2014 0,645 второй чистая
2015 0,637 второй чистая
2916 0,666 второй чистая
2017 0,635 второй чистая
Штамм хлореллы Chlorella vulgaris ИФР № С-111, в отличие от автохтонных видов, обитающих в водоемах, воздействует на планктон, ингибируя развитие сине-зеленых водорослей. Постоянное внесение хлореллы в течение ряда лет способствовало формированию полидоминантного альгокомплекса, обеспечивающего санитарно-гигиеническое и экологическое благополучие экосистемы.
Заключение. В результате исследований и мероприятий по вселению хлореллы в заливы Береславского водохранилища установлено заметное улучшение качества воды. Так, показатель индекса загрязнения воды (ИЗВ, индекс загрязнения воды) в 2017 году на 52 % снизился по сравнению с 2010 годом, уровень ИЗВ составил 0,635 единиц, это позволяет отнести воду ко II классу качества (чистые, ИЗВ = 0,3-1,0). В итоге проведенных исследований можно сделать вывод, что современная биотехнология улучшения качества воды открытых водоемов основана на вселении штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111.
Библиографический список
1. Биологические методы решения и проблемы «цветения» водоемов южных регионов России [Текст]/ И.П. Кружилин, В.В. Мелихов, Н.И. Богданов и др. // Вода: экология и технология: материалы 7-го Международного конгресса. - М., 2006. - С. 20-21.
2. Биологическая мелиорация пресноводных водоемов [Текст]/ В.В. Мелихов, И.П. Кружилин, П.И. Кузнецов и др. // Деловая слава России. - 2008. - № 6 (24). - С. 28-31.
3. Биологическая мелиорация водоемов Волгоградской области [Текст] /В.В. Мелихов, И.П. Кружилин, П.И. Кузнецов и др. // Озерные экосистемы: сб. докл. III Международной науч. конф. - Минск: Изд. центр БГУ, 2007. - С. 85-86.
4. Мелихов, В.В. Экологические аспекты устойчивости биоценозов водохранилищ Юга России и некоторые пути их решения [Текст]/ В.В. Мелихов, П.И. Кузнецов//Акватера: тезисы докл. конф. - С-Пб., 2006. - С. 68-69.
5. Мелихов, В.В. Биотехнология на службе здоровья экосистем водоемов и человека [Текст] / В.В. Мелихов, П.И. Кузнецов, С.В. Яковлев // Здоровье и экология. - 2006. - № 3 (37). - С. 18-19.
6. Методические рекомендации по сбору и обработке материалов при гидробиологических исследованиях на пресноводных водоемах : Зоопланктон и его продукция [Текст]/ Гос. НИИ озер. и реч. рыб. хоз-ва, АН СССР, Зоол. ин-т; [Сост. А. А. Салазкин и др.]. - Л. : Гос-НИОРХ, 1984. - 33 с.
7. Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений [Текст]/ Под ред. А.В. Абакумова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 240 с.
8. Садчиков, А.П. Методы изучения пресноводного фитопланктона. Методическое руководство [Текст] / А.П. Садчиков. - М.: Университет и школа, 2003. - 157 с.
9. Сорокина, Е.И. Экологические проблемы водных объектов Волгоградской области [Текст] / Е.И. Сорокина, Л.Н. Маковкина // Актуальные проблемы права: материалы IV Меж-дунар. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2015 г.). - М., 2015. - С. 173-176.
10. Paerl, H. W. Controlling harmful cyanobacterial blooms in a world experiencing anthropogenic and climatic-induced change / H. W. Paerl, N. S. Hall., E. S. Calandrino // Science of the Total Environment. - 2011. - Apr. - T. 409. - 10. - Р. 1739-1745.
Reference
1. Biologicheskie metody resheniya i problemy "cveteniya" vodoemov yuzhnyh regionov Rossii [Tekst]/ I. P. Kruzhilin, V. V. Melihov, N. I. Bogdanov i dr. // Voda: Jekologiya i tehnologiya: materialy 7-go Mezhdunarodnogo kongressa. - M., 2006. - P. 20-21.
2. Biologicheskaya melioraciya presnovodnyh vodoemov [Tekst]/ V. V. Melihov, I. P. Kru-zhilin, P. I. Kuznecov i dr. // Delovaya slava Rossii. - 2008. - № 6 (24). - P. 28-31.
3. Biologicheskaya melioraciya vodoemov Volgogradskoj oblasti [Tekst] /V. V. Melihov, I. P. Kruzhilin, P. I. Kuznecov i dr. // Ozernye jekosistemy: sb. dokl. III Mezhdunarodnoj nauch. konf. -Minsk: Izd. centr BGU, 2007. - P. 85-86.
4. Melihov, V. V. Jekologicheskie aspekty ustojchivosti biocenozov vodohranilisch Yuga Rossii i nekotorye puti ih resheniya [Tekst]/ V. V. Melihov, P. I. Kuznecov//Akvatera: tezisy dokl. konf. - S-Pb., 2006. - P. 68-69.
5. Melihov, V. V. Biotehnologiya na sluzhbe zdorov'ya jekosistem vodoemov i cheloveka [Tekst] / V. V. Melihov, P. I. Kuznecov, S. V. Yakovlev // Zdorov'e i jekologiya. - 2006. - № 3 (37). -P. 18-19.
6. Metodicheskie rekomendacii po sboru i obrabotke materialov pri gidrobiologicheskih issle-dovaniyah na presnovodnyh vodoemah : Zooplankton i ego produkciya [Tekst]/ Gos. NII ozer. i rech. ryb. hoz-va, AN SSSR, Zool. in-t; [Sost. A. A. Salazkin i dr.]. - L. : GosNIORH, 1984. - 33 p.
7. Rukovodstvo po metodam gidrobiologicheskogo analiza poverhnostnyh vod i donnyh ot-lozhenij [Tekst]/ Pod red. A. V. Abakumova. - L.: Gidrometeoizdat, 1983. - 240 p.
8. Sadchikov, A. P. Metody izucheniya presnovodnogo fitoplanktona. Metodicheskoe rukovodstvo [Tekst] / A. P. Sadchikov. - M.: Universitet i shkola, 2003. - 157 p.
9. Sorokina, E. I. Jekologicheskie problemy vodnyh ob'ektov Volgogradskoj oblasti [Tekst] / E. I. Sorokina, L. N. Makovkina // Aktual'nye problemy prava: materialy IV Mezhdunar. nauch. konf. (g. Moskva, noyabr' 2015 g.). - M., 2015. - P. 173-176.
10. Paerl, H. W. Controlling harmful cyanobacterial blooms in a world experiencing anthropogenic and climatic-induced change / H. W. Paerl, N. S. Hall., E. S. Calandrino // Science of the Total Environment. - 2011. - Apr. - T. 409. - 10. - P. 1739-1745.
E-mail: [email protected]
