Инна Ушакова,
Владимир Лухтанов,
ООО НПО «Альгобиотехнология», Воронеж
Вадим Кульнев,
Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Воронежской области
В статье рассмотрены экологические аспекты проведения биологической реабилитации водоемов и сточных вод методом коррекции альгоценоза. Приведено теоретическое обоснование и описаны примеры применения технологии на водохранилищах и полях фильтрации.
Водный объект с типичными особенностями экологического состояния
Воронежское водохранилище было создано в 1972 году на реке Воронеж для водоснабжения промышленных предприятий города. Оно представляет собой уникальный природно-техногенный водный объект, так как 4/5 площади водоема находится в пределах городской черты.
Воронежское водохранилище является, по сути, питьевым водоемом, так как водозабор осуществляется с глубин от 20 до 40 метров от дневной поверхности. Особо следует учитывать, что острота экологической проблемы подчеркивается гидравлической связью водохранилища с неоген-четвертичным водоносным комплексом, который используется для водоснабжения населения г. Воронежа. Водоносный комплекс более чем на 80% пополняется водами Воронежского водохранилища, и в этом заключается главная опасность «цветения» вод синезелеными водорослями (цианобактериями) [1].
Известно, что все растворенные загрязняющие вещества, в том числе и цианотоксины, песчаными грунтами не задерживаются. Поэтому в целях обеспечения города качественной питьевой водой водоканал Воронежа расходует огромные финансовые средства [4].
В последние годы экологическое состояние Воронежского водохранилища ухудшается, хотя при этом техногенная нагрузка, по сравнению с индустриальными годами советской власти (до 1985 года), уменьшается. Ухудшение выражается во все нарастающем доминировании синезеленых водорослей по численности и биомассе во все более широком временном интервале (с мая по октябрь). В период «цветения» значительно ухудшаются органолептические характеристики воды, снижается рекреационный потенциал.
Помимо этого, экологическое состояние «Воронежского моря» ухудшается поступлением в воду тяжелых металлов (железа, марганца), нефтепродуктов, неорганических форм азота и других поллютантов – классических агентов техногенного загрязнения [5]. Соединения азота обладают канцерогенными реакциями и вызывают онкологические заболевания.
О токсичности синезеленых водорослей (цианобактерий) известно начиная с середины прошлого века. В процессе метаболизма или после отмирания в конце сезона вегетации, синезеленые выделяют цианотоксины (микроцистин, анатоксин и другие), обладающие высокой токсичностью для животных и человека. Они могут вызывать у людей острые отравления с неврологическими симптомами, приводить к некрозам внутренних органов, например, печени и др. К токсичным синезеленым водорослям относятся цианобактерии родов Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria и Microcystis [1, 5].
«Цветение» воды синезелеными водорослями приобретает характер глобальной мировой проблемы, происходит независимо от природно-климатических факторов и степени техногенного влияния на водоемы. Вместе с тем, в работе [7] показано влияние температурного режима города Воронежа на развитие процесса вегетации цианобактерий в акватории Воронежского водохранилища.
Методы решения проблемы
В настоящее время существуют десятки методов борьбы с «цветением» водоемов синезелеными водорослями. Условно, их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические.
К физическим методам можно отнести облучение воды ультрафиолетовым излучением, механический сбор биомассы специальными ситами, устилание дна водоема зеркалами и др. Эти методы малоэффективные и весьма капиталоемкие.
Химические методы представляют собой группу способов борьбы с «цветением», основанных на внесении в воду химических препаратов. Эти методы антиэкологичны, поскольку химические вещества не обладают селективностью воздействия и приводят к гибели всего гидробиоценоза [4].
В качестве примеров биологических методов борьбы с массовым развитием синезеленых водорослей можно привести использование вирусов синезеленых водорослей, таких как LPP1 и др., но эти вирусы опасны и для человека. В некоторых работах предлагается использования растительноядных рыб – планктофагов (белый и пестрый толстолобики), но как показали исследования, применение этого метода может усиливать «цветение» воды синезелеными водорослями [9].
Среди биологических методов, признанных самыми действенными, наиболее дешевым является способ биологической реабилитации водных объектов методом коррекции альгоценоза. Реализуется он в рамках нового научного направления – биологическая реабилитация водоемов.
Биологическая реабилитация – это восстановление экосистемы водоема до естественного уровня и безопасного состояния для человека и окружающей среды [2].
Инновационным подходом, позволяющим значительно снизить уровень загрязнения водоемов цианотоксинами, является коррекция альгоценоза этих водоемов планктонными штаммами зеленой микроводоросли Chlorella kessleri [7].
Метод коррекции альгоценоза является научно обоснованным и многократно практически подтвержденным способом улучшения экологического состояния любого континентального водоема. В основе данного метода лежит постулат о том, что между синезелеными и зелеными водорослями в фитопланктонном сообществе складываются антагонистические отношения. Хлорелла борется с «цветением» воды посредством прямой конкуренции, а не только аллелопатии, как предполагалось ранее [9].
Многочисленные исследования показали, что проведение альголизации способствует доминированию зеленых водорослей в фитопланктонном сообществе (рис.1).
Известно, что при доминировании в структуре альгоценоза лентического водоема хлорококковых водорослей происходит интенсификация процессов самоочищения.
Группой авторов из Института клеточного и внутриклеточного симбиоза Оренбургского научного центра Уральского отделения Российской академии наук было показано, что:
«Гидробиоценозы и, в частности, альгоценозы, являются открытыми системами с эффектами самоорганизации, а их многокомпонентность и сложная интеграция вписывается в концепцию ассоциативного симбиоза.
Одним из центральных аспектов проблемы ассоциативного симбиоза является управление или искусственное воссоздание микробиоценоза при микроэкологических нарушениях. Решение этой проблемы позволит не только определить ряд теоретических позиций по раскрытию механизмов формирования микробиоценозов, но и достичь прогресса в прикладном аспекте. Так явление преобладания и массового развития синезеленых водорослей широко известно и наблюдается в периоды их «цветения», приводя к неблагоприятным изменениям качества вод.
Используя симбиотические особенности цианобактерий, можно предотвратить их массовое развитие. Предлагаются биотехнологии, основанные на конкуренции цианобактерий и водорослей за места обитания в водоеме» [6].
В данной работе показано, что альголизация, то есть обогащение водоемов зеленой водорослью хлореллой, в весенний период предотвращает последующее развитие синезеленых водорослей.
Также показано, что «с позиций представленных нами данных (рис. 1), демонстрирующих влияние компонентов ассоциативного симбиоза водорослевого сообщества на хозяина, можно объяснить результаты Н.И. Богданова [2], который подошел эмпирически к решению проблемы цветения водоемов путем усиления зеленых водорослей для восстановления структуры водорослевого сообщества. Это открывает перспективы для использования симбиотического подхода в экологической практике» [6].
Помимо существенного снижения степени «цветения» водоема, хлорелла насыщает воду кислородом (до 17 мг/дм3) и обеспечивает улучшение качества воды по содержанию загрязняющих веществ. В их числе: тяжелые металлы (железо, медь, марганец, свинец, цинк…), фенолы, нефтепродукты, неорганические формы азота и полифосфаты. Также происходит снижение значений таких важных показателей качества воды, как химическое и биохимическое потребление кислорода, и улучшение ее органолептических показателей, вследствие чего восстанавливается рекреационный потенциал водоема.
Практические аспекты применения альголизации водоемов
Практика показала, что при отсутствии «цветения» в предыдущем сезоне вегетативные формы и споры синезеленых водорослей уменьшаются в своем количестве за каждый год проведения биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза. Поэтому отсутствие «цветения» водоема в первый год проведения альголизации не является признаком полного освобождения водоема от синезеленых водорослей.
Через четыре года непрерывной альголизации их остается порядка 6% от начального количества (рис. 2), что не даст им стать доминирующими, так как доминантами в этом случае станут зеленые водоросли. Это и определяет четырехлетний цикл проведения основных работ.
В последующие четыре года проводится альголизация водоема однократно в год и только в зимний период для наращивания биомассы хлореллы планктонных штаммов (и других зеленых водорослей), которая была снижена за счет выедания зоопланктоном и личинками рыб. При этом «цветения» воды синезелеными водорослями не происходит.
Следующие четыре года водоем не альголизируется, но за ним ведется наблюдение и проводится ежегодная регистрация отсутствия «цветения» воды синезелеными водорослями.
Результаты проведенной биологической реабилитации водных объектов
По такой схеме была проведена биологическая реабилитация Пензенского водохранилища хозяйственно-питьевого назначения, которое не «цветет» с 2001 года по настоящее время (2019 год).
В 2009 году начались работы по реабилитации Матырского водохранилища, расположенного в Липецкой области, которое по гидрологическим особенностям схоже с Воронежским водохранилищем и входит с ним в одну гидрологическую систему.
В условиях альголизации вод в 2010 и в 2011 годах в общем составе сообществ низших водорослей Матырского водохранилища наблюдалось видовое разнообразие и высокие оценки обилия диатомовых водорослей, которые доминируют в сообществах. Подчиненное значение имели синезеленые водоросли (цианобактерии), а также другие низшие водоросли.
Профессором факультета географии, геоэкологии и туризма ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» Г.А. Анциферовой была проанализирована проба фитопланктона из Матырского водохранилища, отобранная 27 июня 2019 года. Средние значения численности составляют около 0,98 млн кл./л, и биомассы около 1,09 мг/л. Подобные значения численности и биомассы, наряду с достаточно высокими значениями оценок обилия видов синезеных водорослей Aphanothece clatrata W. et G.S. West (“часто”) и Rhabdoderma lineare Schmidle et Laut. emend. Hollerb. (“нередко”), доказывают высокую интенсивность процессов самоочищения, достигнутую с помощью искусственной альголизации планктонными штаммами хлореллы.
Индекс сапробности составляет 1,76, что позволяет по качеству воды относить к Ш классу “Удовлетворительной чистоты”, при разряде качества вод 3а “Достаточно чистые”. В общем таксономическом составе сообщества фитопланктона доминируют диатомовые водоросли, которые насчитывают 20 видов, принадлежащих 12 родам. В экологическом составе преобладают виды бетамезосапробные и олиго- бетамезосапробные, то есть характерные для достаточно чистых вод. При общем числе 28 видов, которые принадлежат 18 родам, среди синезеленых наблюдается лишь один вид загрязненных местообитаний – Ostillatoria terebriformis Ag., с оценкой обилия “нередко”. Полученные результаты исследования доказывают полное экологическое благополучие вод Матырского водохранилищша, что, без сомнения, связывается с его альголизацией, которая проводилась в этом водоеме ранее, а именно в период с 2009 по 2011 годы.
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 резкое снижение общей биомассы микроводорослей и на этом фоне – общее уменьшение таксономического разнообразия в составе сообществ фитопланктона, при этом по-прежнему доминировали диатомовые водоросли. Из состава сообществ, практически исчезли синезеленые водоросли, резко уменьшилось распространение других водорослей, причем как на родовом, так и видовом уровнях. Все это привело к улучшению качества воды в санитарном и органолептическом отношении. Мониторинговые работы проводились в 2012–2015 гг. Они показали, что в первые годы после завершения биологической реабилитации происходило сдерживание развития синезеленых водорослей, но так как технология была нарушена, в 2015 году экосистема водоема не справилась, что привело к заморным явлениям.
Выявленные эмпирические закономерности
Таким образом, применение биологической реабилитации методом коррекции альгоценоза на Матырском водохранилище выявило эмпирическую закономерность, что вегетативные формы и споры синезеленых водорослей уменьшаются за первый год в среднем до уровня 57% от исходного, за два года 33%, за три года до уровня 20%, за четыре года до 11 %, а за пять лет их остается порядка 6% от начального количества, что не дает им доминантных преимуществ [5].
График уменьшения количества синезеленых водорослей приведен на рис. 4 и характеризуется экспоненциальной зависимостью: C = Co e–t/ô (1) где Со – первоначальное количество водорослей, выраженное в процентах, ô – постоянная очистки, определяемая временем в течение которого количество синезеленых водорослей уменьшается в e раз.
По результатам измерений ô = 1,79 года. Цикл технологических работ составляет четыре года, за который водный объект практически не подвержен «цветению» [5].
Метод коррекции альгоценоза для очистки сточных вод
В настоящее время для очистки сточных вод, в основном, используются аэротенки, в которых бактерии для своей жизнедеятельности используют кислород, а в окружающую среду выделяют углекислый газ, то есть ныне существующие очистные сооружения являются потребителями кислорода и загрязнителями воздуха углекислым газом. Немаловажно то, что в санитарном отношении эта система очистки также является порочной, так как она не освобождает сточные воды от микроорганизмов, вызывающих заболевание человека и животных [3].
Биологическая особенность бактерий заключается в том, что они узкоспециализированы, то есть необходимо иметь много видов бактерий, чтобы они могли очистить весь спектр веществ, которые находятся в сточных водах. Нет одного универсального вида бактерий, способного справиться со всем комплексом загрязняющих веществ сточных вод [2].
Особую эффективность показывает применение хлореллы в качестве альголизанта сточных вод. Применение водорослей для очистки сточных вод оправдано экологически, так как они используют биогенные вещества и углекислый газ, а в процессе жизнедеятельности выделяют в окружающую среду кислород. Эволюционно водоросли более высокоразвитые организмы чем бактерии и поэтому многие виды являются универсальными потребителями минеральных и органических веществ.
С 2013 года наше предприятие оказывает природоохранные услуги данного направления – биологическая реабилитация сточных вод сахарных производств методом коррекции альгоценоза.
Основными загрязняющими веществами сточных вод сахарных заводов являются взвешенные вещества, неорганические формы азота и фосфора, тяжелые металлы, органические вещества и нефтепродукты. Все эти поллютанты оказывают существенное влияние на формирование повышенных значений таких важных показателей качества воды, как биохимическое и химическое потребление кислорода, цветность, запах, мутность. Применение биологической реабилитации позволяет значительно снизить концентрации упомянутых загрязняющих веществ и довести показатели до требуемых органами Росприроднадзора для сброса осветленных вод в природные водоемы.
Кроме того, проведение биологической реабилитации позволяет существенно снизить неприятный запах, исходящий от водоемовприемников сточных вод сахарных заводов, который негативно влияет на условия труда работников предприятия и качество жизни населения, проживающего на прилегающих к нему территориях.
Биологическая реабилитация сточных вод сахарных заводов
ООО НПО «Альгобиотехнология» уже имеет богатый опыт ведения работ с сахарными заводами России, такими как ЗАО «Сахарный комбинат Отрадинский» (Орловская область), ЗАО «Сахарный завод Алексеевский», АО «Краснояружский сахарник», ООО «Дмитротарановский сахарный завод» (Белгородская область), АО «Сахарный комбинат Льговский» (Курская область), АО «Чишминский сахарный завод» (Республика Башкортостан), АО «Заинский сахарный комбинат» (Республика Татарстан) по альголизации водоемов, находящихся в их хозяйственном ведении, зеленой микроводорослью штамма Chlorella kessleri ВКПМ А1-11 ARW. Альголизант имеет все необходимые ветеринарные документы. Проведенные работы по биологической реабилитации сточных вод методом коррекции альгоценоза на указанных предприятиях уже доказали свою эффективность. В качестве примера опишем работы, проведенные на картах №48 и №49 ЗАО «Сахарный комбинат «Отрадинский».
Очистные объекты предприятия расположены на водоразделе рек Ока и Лисица. Местное отделение Росприроднадзора в 2012 году в очередной раз внесло запрет на сброс сточных вод в силу их загрязнения в близлежащие реки. Это произошло 25 декабря 2012 года (таблица 1, столбец контроль). 28 мая 2013 года была проведена биологическая реабилитация указанных отстойников путем вселения одноклеточной зеленой микроводоросли хлореллы уникального штамма.
Через 1,5 месяца после этого – 11 июля 2013 года была отобрана опытная проба и отправлена на анализ в Филиал ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Орловской области в г. Мценске». 16 июля 2013 года был получен протокол (таблица, столбец опыт).
Альголизация сточных вод позволила значительно снизить концентрацию ведущих поллютантов (см. таблицу). Конечно, нельзя сбрасывать со счетов процессы самоочищения, которые интенсифицируются в летний период, но без применения хлореллы их роль несоизмеримо мала. Проведенная биологическая реабилитация сточных вод доказала свою состоятельность, поскольку было получено разрешение на сброс сточных вод, выданное Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Орловской области, так как их качество в результате искусственной альголизации стало выше чем в р. Ока.
Выводы
Практический опыт применения биологической реабилитации водоемов методом коррекции альгоценоза доказал, что этот метод является эффективным природоохранным мероприятием, позволяющим решать комплекс проблем, связанных с неблагоприятным экологическим состоянием водных объектов, неудовлетворительным качеством осветленных сточных вод.
В результате методически грамотного проведения биологической реабилитации водоема методом коррекции альгоценоза происходит предотвращение «цветения» водоема синезелеными водорослями, улучшение качества природных и сточных вод в гидрохимическом и санитарно-эпидемиологическом отношении.
Обращение авторов статьи
Сегодня в России действует Национальная программа «Экология», программы «Чистая вода» и «Волга». На их реализацию планируется выделить огромное количество средств. До 2024 года следует спроектировать, построить и запустить «какое-то» количество очистных сооружений, высокотехнологичных станций водоподготовки. Казалось бы, все, что требуется, направлено на обеспечение качественной питьевой водой и снижение количества неочищенных и недоочищенных сточных вод, попадающих в водные объекты. Прописаны
проектные, строительные, машиностроительные и финансовые (будет выделено 140,1 млрд. руб.) вопросы. Но почему-то экология водных объектов ушла на задний план.
Из материалов Водного конгресса мы знаем, что годовой сброс неочищенных и недоочищенных вод в Волгу в 2018 году составил 3,7 км3. К 2024 году этот сброс должен уменьшиться до 1,05 км3. При этом годовой сброс самой Волги в Каспийское море в среднем составляет 245 км3. Соответственно, в процентном отношении неочищенные сбросы составляют: 1,45% в 2018 году и 0,4% в 2024 году.
И как вы думаете, этот ли незначительный сброс является главной причиной ужасающей эфтрофикации великой русской реки Волги? Если бы в бассейне Волги был бы правильный альгоценоз, то есть доминирующими в нем были зеленые водоросли, то этот сброс «съедался бы на раз». Но Волга повсеместно заражена цианобактериями. Все 800 водохранилищ бассейна реки Волги «цветут и пахнут» в летний период то фекальными стоками, то гиасмином.
Мы являемся практическими экологами, неангажированными ни партиями, ни фондами, и занимаемся реабилитацией водных объектов уже более 12 лет. На вооружении у нас только один метод – коррекция альгоценоза. Где бы мы ни применяли этот метод, он везде работал.
Вместе с тем мы прекрасно понимаем, что избавиться от токсичного цветения природных вод в России можно только под руководством федеральных органов, если они обратят на эту проблему свое внимание и примут программу биологической реабилитации водных объектов методом коррекции альгоценоза