Биотехнологии в управлении качеством искусственных водных объектов на примере Матырского водохранилища
УДК 556.55:574.52:574.58:504.45.058
Г.А. Анциферова, В.В. Кульнев
БИОТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ КАЧЕСТВОМ ИСКУССТВЕННЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ПРИМЕРЕ МАТЫРСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
Актуальность исследований, связанных с изучением эколого-биологического состояния поверхностных водных объектов центральной России, в связи с их повсеместным загрязнением, трудно переоценить. В густонаселенном регионе, имеющем высокую промышленную и сельскохозяйственную нагрузку, происходит антропогенное эвтрофирование вод, их «цветение» цианобактериями.
Матырское водохранилище располагается в центральной части Восточно-Европейской равнины на западной окраине Окско-Донской низменности, в долине р. Матыра, левом притоке р. Воронеж. Оно является самым крупным водным объектом Липецкой области.
Рельеф прилегающей территории представляет собой низменную, с абсолютными высотами до 170 м над уровнем моря, слаборасчлененную равнину. Геолого-гидрогеологические условия исследуемой территории, определяются их расположением в пределах северо-восточного склона Воронежской антеклизы. Геологический разрез представлен терригенно-карбонатными породами верхнего девона, нижнего мела, палеогена и неогена, которые перекрываются четвертичными отложениями различного генезиса. Средняя мощность пород осадочного чехла в районе города Липецка достигает 500-600 м. Чередование в разрезе переслаивающихся водопроницаемых и водоупорных толщ обусловливает наличие более двух десятков водоносных горизонтов, приуроченных к отложениям всех перечисленных выше систем. Для исследуемой территории наибольшее водохозяйственное значение имеют девонский задонско-елецкий водоносный горизонт и неоген-четвертичный водоносный комплекс. Они гидравлически связаны с водохранилищем, экологическое состояние вод которого влияет на качество подземных вод [5].
Матырское водохранилище простирается в направлении с юго-востока на северо-запад на 40 км, площадь водного зеркала составляет 4600 гектар. В морфометрии водохранилища выделяются три расширения: Казинский, Таволжский и Грязинский плёсы, соединенные между собой короткими протоками.
Матырское водохранилище относится к категории равнинных. При его заполнении пойма и надпойменные террасы р. Матыра, занятые, в основном, сельскохозяйственными и лесными угодьями, оказались под водой. Для подобных водохранилищ характерным элементом являются мелководья – участки с глубинами до 2 м. В связи с тем, что Матырское водохранилище построено на очень плоском рельефе, зоны мелководий здесь занимают до 30% общей площади водоема. Это хорошо прогреваемые летом, заросшие тростником, камышом, рогозом мелководные зоны, из которых распространяются цианобактерии, вызывая «цветение» вод.
По проекту водохранилище предназначено для промышленного водоснабжения Новолипецкого металлургического комбината, улучшения водоснабжения Липецкого промышленного узла, орошения прилегающих к водохранилищу сельскохозяйственных земель. По своему назначению и режиму эксплуатации водохранилище уникально, так как Новолипецкий металлургический комбинат, для которого оно построено, непосредственно воду из него не забирает, и его водозаборные сооружения расположены не на водохранилище, а на р. Воронеж. Вследствие этого режим работы водохранилища устанавливается в зависимости от естественного расхода воды в р. Воронеж, то есть предусматривает подпитку реки его водами до необходимого расхода [7].
В работе представлены результаты использования биотехнологии, основанной на методе альголизации Матырского водохранилища. Она проводилась с целью обеспечения удовлетворительного качества поверхностных вод в регионе, имеющем высокую антропогенную нагрузку. Альголизация сопровождалась изучением эколого-биологического качества вод по сообществам фитопланктона, представленного диатомовыми, зелеными, эвгленовыми, пирофитовыми и некоторыми другими микроводорослями и цианобактериями. Их таксономический и экологический состав связан с минерализацией вод, температурой, глубиной, режимом трофности, то есть со всем комплексом абиотических и биотических характеристик водной среды. Микроскопические водоросли чутко реагируют на изменения гидрохимических и гидрофизических показателей водной среды, что и положено в основу метода биоиндикации при оценке степени антропогенного загрязнения водоемов [1,2,7].
Общая закономерность развития фитопланктона в целом заключается в том, что весной по мере прогревания вод до 4-10оС, начинают развиваться диатомовые водоросли, поскольку они по своей природе являются умеренно теплолюбивыми. При температуре вод от 23-25оС и более, то есть со второй половины июля в мелководных и среднеглубоких водоемах, испытывающих антропогенное загрязнение, обычно начинают активно распространяться цианобактерии. Причем в условиях повышенных загрязнений водной среды в массовом количестве развиваются виды цианобактерий, характерные для загрязненных местообитаний, и вызывающие «цветение» вод. В дальнейшем, по мере охлаждения вод, примерно с середины августа – начала осени, и вплоть до октября месяца в составе сообществ микроскопических водорослей вновь доминируют диатомовые.
В начале 2000-х годов начали проводиться работы по реабилитации Матырского водохранилища, об экологическом неблагополучии которого свидетельствовало, в частности, «цветение» вод цианобактериями. Эти работы были связаны с дноуглубительными мероприятиями, с очисткой акватории от макрофитов.
В 2009, 2010 и 2011 годах был использован метод коррекции альгоценоза Матырского водохранилища. Данный метод заключается в искусственной альголизации неаборигенных штаммов Chlorella vulgaris ИФР №С-111, BIN – микроскопической зеленой водоросли рода хлорелла [3, 4]. Метод предполагает изменение структуры фитопланктонного сообщества в пользу развития зеленых водорослей за счет искусственной альголизации хлореллы в природных и сточных водах.
Как показали исследования, проведенные в Институте клеточного и внутриклеточного симбиоза Оренбургского научного центра Уральского отделения Российской академии наук, хлорелла борется с цианобактериями за счет прямой конкуренции [11]. Проведение альголизации способствует доминированию зеленых водорослей в фитопланктонном сообществе и интенсификации процессов самоочищения. Доказано, что альголизация, то есть распространение в водоемах зеленой микроводоросли хлорелла в весенний период предотвращает последующее развитие цианобактерий [9].
В период альголизации вод Матырского водохранилища в течение вегетационных сезонов 2010-2011 годов изучался фитопланктон водохранилища. Контрольное опробование, уже в условиях отсутствия альголизации, было проведено в августе 2012 года. Сбор фактического материала основывается на общепринятых рекомендациях [8, 12].
В структуре сообществ микроводорослей Матырского водохранилища прослеживаются определенные закономерности. Общее число видов в пробе может достигать 20-30, а иногда составлять 2-6. Повсеместно доминируют от 2-3, редко до 5-6 таксонов, принадлежащих видам и разновидностям диатомовых водорослей, способных к быстрому популяционному росту. Это, например, виды Aulacoseira granulatа (Ehr.) Sim., A. italica (Ehr.) Sim. и A. italica var. tenuissima (Grun.) Sim., Diatoma vulgare Bory. Иногда их численность чрезвычайно высокая, и в отдельных пробах в одном поле зрения насчитывается до нескольких десятков створок и панцирей диатомей.
В условиях альголизации вод в 2010 и в 2011 годах в общем составе сообществ фитопланктона Матырского водохранилища наблюдалось видовое разнообразие и высокие оценки обилия диатомовых водорослей, которые доминируют в сообществах. Подчиненное значение имели цианобактерии, а также другие микроводоросли. При анализе результатов альголизации вод, особое внимание было уделено выявлению и оценке изменений в составе фитопланктона по годам. В 2011 году, по сравнению с 2010 годом, произошло общее уменьшение таксономического разнообразия в составе сообществ фитопланктона, при этом по-прежнему доминировали диатомовые водоросли. Из состава сообществ, практически исчезли цианобактерии, резко уменьшилось распространение других водорослей, причем как на родовом, так и видовом уровнях [2,5,7].
В 2012 году, в первый год после завершения альголизации, в августе месяце по всей акватории водохранилища был изучен фитопланктон и полученные результаты использованы для сопоставления с данными для августа месяца 2010 и 2011 годов. Для фитопланктона августа месяца в 2012 года характерно, что число родов и видов вновь приближается к показателям 2009-2010 годов (начало альголизации).
Для сезонов 2010 и 2011 годов, прослежены изменения численности и биомассы некоторых групп фитопланктона в сравнении по годам, причем выборки сделаны для августа месяца каждого года опробования, как в период альголизации (2009-2011 гг.), так и после нее (2012 г.) (таблица).
Таблица – численность и биомасса некоторых групп фитопланктона для августа месяца в 2010-2012 годах
Таким образом, устанавливается, что в 2011 году произошло резкое уменьшение видового разнообразия видов микроскопических водорослей, по сравнению с 2010 годом. В 2012 году прослеживается тенденция по его увеличению до уровня начала альголизации. Аналогично происходит увеличение средней численности и биомассы фитопланктона (см. таблицу).
Особенностью сукцессий микроводорослей Матырского водохранилища является то, что в середине лета, а именно во второй половине июня – до середины августа в составе фитопланктона продолжают доминировать планктонные виды диатомей, среди которых наряду с характерными для этого времени видами рода Aulacoseira Thw. распространяются также представители рода Stephanodiscus Ehr. В 2010 году в сентябре месяце в приплотинной части водохранилища зафиксировано распространение цианобактерий на уровне «цветения» вод. Они представлены видами, свойственными загрязненным водоемам региона. Это Microcystis aeruginosa Kütz. emend. Elenk., Microcystis aeruginosa f. flos-aquae (Lemm.) Elenk., а также Anabaena contorta Bachm, Anabaena verrucosa B.-Peters.
В 2011 году условий для «цветения» вод цианобактериями не сложилось, из фитопланктона полностью исчезали виды цианобактерий, которые вызывают «цветение» загрязненных вод. Среди цианобактерий фитопланктона августа 2012 года наблюдаются Anabaena contorta Bachm и Pseudoholopedia convoluta (Bréb.) Elenk.
Зеленые водоросли рода хлорелла в сообществах микроводорослей в небольших количествах выявляется практически повсеместно, с незначительными количественными оценками, в 2010 году она отсутствует в верховьях водохранилища (см. таблицу).
Зеленые водоросли рода хлорелла в сообществах микроводорослей в небольших количествах выявляется практически повсеместно, с незначительными количественными оценками, в 2010 году она отсутствует в верховьях водохранилища (см. таблицу).
Соответственно, вычисленный для Матырского водохранилища индекс сапробности Пантле-Букка в модификации В. Сладечека в 2010 году был равен 1,79. В 2011 году он понизился до 1,61. Для сравнения, В 2012 году данный индекс вновь увеличился и составил 1,77. Эти значения близки, и они показывают, что по санитарно-биологическому показателю воды Матырского водохранилища относятся к классу III – «Умеренно (слабо) загрязненные». В целом экосистема Матырского водохранилища по степени кризисности относится к стадии обратимых изменений.
Согласно проведенным исследованиям, «цветения» вод цианобактериями в 2011 и 2012 годах зафиксировано не было.
Гидробиологические исследования Матырского водохранилища в 2014-2015 годах продолжены. Это обусловлено необходимостью на его примере проследить способность природно-антропогенной экосистемы искусственного водного объекта, созданного в долине реки, к относительно естественной ее реабилитации после прекращения искусственной альголизации вод.
В общем составе продолжают доминировать диатомовые водоросли, на долю которых приходится 38 таксонов, относящихся к 15 родам. Среди планктонных диатомей, обитающих в водной толще, с оценками «нередко» наблюдаются Aulacoseira italica (Ehr.) Sim., Aulacoseira italica var. tenuissima (Grun.) Sim., Melosira varians Ag. встречена с оценкой обилия «очень часто», а также повсеместно с оценкой «нередко» Fragilaria capucina Desm. и Fragilaria crotonensis Kitt. C зарослями высшей водной растительности связано развитие видов обрастателей Meridion circulare Ag. («очень часто»), Fragilaria brevistriata Grun. («часто»), Fragilaria сonstruens (Ehr.) Grun. et var. venter (Ehr.) Grun. («нередко»). С оценкой обилия «редко» повсеместно наблюдаются виды Сocconeis placentula Ehr., а также Сocconeis pediculus Ehr. Виды Gomphonema intricatum Kütz., Epithemia turgida (Ehr.) Kütz. et var. granulata (Ehr.) Grun., Epithemia zebra var. saxonica Kütz. наблюдаются c оценками обилия «редко» и «нередко». Другие представители диатомовых встречены «единично».
Зеленые, эвгленовые и пирофитовые водоросли насчитывают соответственно 5 таксонов – 4 рода, 2 таксона – 1 род и 1 таксон – 1 род. Они представлены широко распространенными видами и имеют оценки обилия «единично». И лишь пирофитовая водоросль Cryptomonas ovata Ehr. имеет оценку «редко».
Цианобактерии представлены 12 таксонами, принадлежащими 5 родам. Среди них оценок обилия «в массе» и «очень часто» достигают виды Anabaena flos-aquae (Lyngb.) Bréb. и Anabaena spiroides Kleb., виды Microcystis pulverea (Wood.) Forti em. Elenk. имеют оценки обилия «часто» и «нередко».
Особое внимание привлекает повсеместное распространение полисапробного вида, Ostillatoria lauterbornii Schmidle, имеющего оценку обилия «часто», а также Microcystis aeruginosa Kütz. em. Elenk. – «нередко». Эти характерные для загрязненных местообитаний виды, в процессе метаболизма выделяют цианотоксины [6, 10].
Всего средняя численность фитопланктона в августе месяце 2015 года составила 0,98 млн. кл./л, при этом средняя биомасса достигла 4,46 мг/л. По сравнению с июлем 2014 года численность фитопланктона Матырского водохранилища осталась прежней, но значение биомассы увеличилось примерно на 9,2%.
Получено значение индекса сапробности Пантле-Букка в модификации В. Сладечека в эти годы, равное 1,95. Согласно общегосударственной шкале качества поверхностных вод, данное значение индекса S показывает, что воды по качеству относятся к классу III – «Умеренно (слабо) загрязненные». Процессы самоочищения экосистемы находятся в стадии обратимых изменений.
Следует обратить внимание, что в целом в составе фитопланктона по видовому разнообразию преобладают диатомовые водоросли. Цианобактерии имеют подчиненное развитие. Необходимо учитывать, что среди последних получают распространение виды загрязненных местообитаний, в том числе и те, которые выделяют цианотоксины [13].
В настоящее время в водоеме сохраняются условия, возможно неустойчивой, но стабильности и относительного экологического благополучия как результат альголизации, которая проводилась в водоеме ранее. Свидетельством тому является класс качества водной среды и состояние кризисности водной экосистемы на уровне обратимых изменений.
Вероятно, альголизацию водоема следует проводить и далее. Пример экосистемы Матырского водохранилища показывает, что альголизация является достаточно действенным способом защиты водоема от «цветения» вод цианобактериями как последствия антропогенного загрязнения, и она может быть рекомендована для других искусственных водных объектов.
Литература
- Анциферова, Г.А. Биоиндикация в геоэкологии: об эвтрофировании межледниковых, голоценовых и современных поверхностных водных экосистем бассейна Верхнего Дона [Текст] / Г.А. Анциферова // Вестник Воронежского государственного университета. Геология, № 1, Воронеж, 2005. – С. 240-250
- Анциферова, Г.А. К вопросу об альгологизации водоемов как способе управления их экологическим состоянием [Текст] / Г.А. Анциферова // Материалы конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» – Воронеж, 2011. – С. 59-62.
- Богданов Н.И. Биологическая реабилитация водоемов. – Пенза, 2008. – 137 с.
- Богданов Н.И. Пат. 2192459 Российская Федерация. Штамм микроводоросли Chlorella vulgaris BIN для получения биомассы и очистки сточных вод [Текст] Н.И. Богданов. Заявитель и патентообладатель Н.И. Богданов – Бюлл. № 31. – 2002.
- Валяльщиков А.А., Кульнев В.В., Силкин К.Ю. Анализ экологического состояния Матырского водохранилища по данным эколого-гидрохимического и спутникового мониторинга [Текст] / Вестник Воронежского государственного ун-та//. Серия Геология. 2014 №1 С 110 – 117.
- Корнева, Л.Г. Фитопланктон и содержание цианотоксинов в Рыбинском, Горьковском и Чебоксарском водохранилищах в период аномально жаркого лета 2010 г. [Текст] / Л.Г. Корнева, З.А. Жаковская, Я.В. Русских, Е.Н. Чернова // Вода: химия и экология. 2014. – № 8. – С. 24-29. Путь доступа: http://watchemec.ru/article/26726/
- Кульнев В.В. Анциферова Г.А. Об изменении структуры фитопланктонного сообщества Матырского водохранилища в течение вегетационных сезонов 2010 – 2012 и 2014 – 2015 годов [Текст] / Материалы Международной научно-практической конференции// Часть VIII Воронеж, 2016 С 94 – 106
- Макрушин, А.В. Биологический анализ качества вод / А.В. Макрушин; под ред. Г.Г. Винберга. – Л., Зоологический институт АН ССР, 1974. – 58 с.
- Немцева, Н.В. Структурно-функциональная характеристика водорослевого сообщества и ее использование для определения экологического состояния пойменных водоемов [Текст] / Н.В. Немцева, Т.Н. Яценко-Степанова, О.В. Бухарин // Журнал «Проблемы региональной экологии» №5, 2011.
- Петросян, В.С., Предотвращение загрязнения природных водоемов цианотоксинами с помощью микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР №С-111[Текст] /В.С. Петросян, Е.А. Шувалова, В.Т. Лухтанов, В.В. Кульнев// Экология и промышленность России. 2015 №4 С 36 - 41
- Попов, А. Н. Об изучении механизма взаимодействия штамма Chlorella kessleri ВКПМ А1-11 с сообществами синезеленых водорослей поверхностных водоемов в окрестностях Екатеринбурга [Текст] // А. Н. Попов, Е. А. Бутакова, Т. Е. Павлюк/ Материалы Всероссийской конференции «Приоритетные направления экологической реабилитации Воронежского водохранилища», Изд-во «Научная книга», Воронеж, 2012 г.
- Унифицированные методы исследования качества вод. Методы биологического анализа вод. Индикаторы сапробности // М.: Изд-во СЭВ, 1977. – Ч. 3. – С. 21-31.
- 13. Davis, T.W. The effects of temperature and nutrients on the growth and dynamics of toxic and non-toxic strains of Microcystis during cyanobacteria blooms / T.W. Davis, D.L. Berry, G.L. Boyer, C.J. Gobler // Harmful Algae, 2009. – V. 8. – P. 715-725.
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Россия, г. Воронеж
Antsiferova G.A. Kul`nev V.V.
BIOTECHNOLOGY IN THE MANAGEMENT OF QUALITY OF ARTIFICIAL WATER BODIES ON THE EXAMPLE OF MATYRSKIY RESERVOIR