СПОСОБ БОРЬБЫ С "ЦВЕТЕНИЕМ" ВОДЫ СИНЕЗЕЛЕНЫМИ ВОДОРОСЛЯМИ
METHOD OF WATER CYANOBACTERIAE BLOOM CONTROL

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для активизации самоочищения открытых водоемов и водотоков.
Как известно, водоросли играют важную, положительную роль в процессах самоочищения. В процессе фотосинтеза они продуцируют кислород, который способствует повышению уровня кислородного насыщения воды и минерализации органических веществ. Для процессов метаболизма, связанных с новообразованием органических веществ, водоросли поглощают из воды разнообразные биогенные элементы и растворимые органические вещества, что также способствует процессам самоочищения. Однако положительная функция водорослей в процессах самоочищения в значительной мере зависит от их концентрации и осуществления активной жизнедеятельности. При размножении одного из видов водорослей до высоких концентраций положительная роль их, как первичного продуцирующего звена, сменяется отрицательной и они из фактора самоочищения превращаются в фактор самозагрязнения или биологического загрязнения, а также упрощают экосистему и делают ее менее устойчивой к воздействию экстремальных факторов (Кузьменко М.И. Роль органического питания в продуктивности водорослей. - Гидробиол. журн., 1970, 6, №1, с.109-124).
5
При повышении концентрации биомассы водорослей до 100 мг/л сухого вещества и более резко падает кислородная продуктивность клеток, усиливаются процессы разложения, идущие с поглощением кислорода. В среде накапливаются органические вещества и продукты их распада. В результате избыточного развития водорослей и последующего их отмирания возникает вторичное биологическое загрязнение водоемов и существенное ухудшение качества воды (увеличивается БПК воды, растут бихроматная окисляемость и количество взвешенных частиц, повышается цветность и снижается прозрачность, накапливаются вредные вещества).
5
В воде появляются фенолы в концентрации, превышающей допустимую санитарную норму до 200 раз. При брожении из органического вещества синезеленых водорослей в скоплениях образуются ацетон, спирты, органические кислоты. Содержание кислорода в воде при распаде масс синезеленых водорослей падает до нуля, особенно в местах нагона, повышается БПК, в результате чего возникают локальные заморы рыб, в первую очередь молоди.
Опасность избыточного «цветения» усугубляется еще и тем, что в процессе жизнедеятельности синезеленые водоросли подщелачивают среду и создают благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры и возбудителей кишечных заболеваний, в том числе и холерного вибриона. Кроме того, в период «цветения» водоросли активнее поглощают коротковолновую часть видимого света, разогреваются и являются источниками ИК-излучения, что может существенно влиять на термический режим водоема.
Известен способ борьбы с «цветением» водоемов синезелеными водорослями, предусматривающий зарыбление водоемов растительноядными рыбами и альголизацию в зимний период суспензией штамма Chlorella vulgaris BIN (RU 2263141, C12N 1/12, опубл. 10.02.2005).
Способ был осуществлен в Пензенском водохранилище (приплотинный участок), с площадью мелководий - 20-25%, средняя глубина - 5,1 м, максимальная глубина -15 м. «Цветение» воды в летний период вызывает синезеленая водоросль Merismopedia tenuissima, которая предпочитает прибрежную зону и не продуцирует токсины.
Кислородный режим Пензенского водохранилища в период исследований находился на относительно стабильном уровне по всем участкам водохранилища.
Известный способ предусматривает зарыбление водоема растительноядными рыбами - белым и пестрым толстолобиками для повышения эффекта альголизации.
Однако известно, что белый и пестрый толстолобики используют в пищу различные виды водорослей, но в первую очередь предпочитают представителей протококковых и диатомовых. Однако и синезеленые водоросли могут составлять значительную часть его пищевого комка, несмотря на то, что их усвоение практически не происходит (Боруцкий Е.Б. Материалы о питании амурского толстолобика. Труды Амур. ихтиол. экспедиции, 1949 г., т.1. М., 1950, стр.287-303. Боруцкий Е.Б. Питание белого и пестрого толстолобиков в естественных водоемах и прудах СССР. - В кн.: трофология водных животных. М., 1973, стр.299-322).
Более того, через кишечник белого толстолобика клетки основного возбудителя «цветения» воды Microcystis aeruginosa (именно этот вид водоросли доминирует над остальными при «цветении» воды в волжских водоемах) в значительной массе проходят без повреждений и живыми, способными к прорастанию.
При этом происходит дробление колоний Microcystis уже в первом отделе кишечника на отдельные части, клетки последних уплотняются и принимают форму шара. Изменение характера упаковок клеток в колонии и образование шарообразных форм можно рассматривать, как приспособление к сохранению жизнеспособности в экстремальных условиях. Такая форма уменьшает контакт с кислым пищеварительным соком кишечного тракта рыбы. В среднем отделе кишечника плотность упаковки клеток еще больше увеличивается, происходит их агрегатирование. В заднем отделе кишечника количество шарообразных агрегатов уменьшается в результате их распада на отдельные живые клетки, которые секретируются наружу. Прошедшие через кишечник клетки водорослей способны к размножению и через 3-6 дней их пребывания воде из них образуются молодые интенсивно растущие колонии (Сиренко Л.А., Гавриленко М.Я. «Цветение» воды и евтрофирование. Киев: Наукова Думка, 1978, стр.60-62, 96-97).
Таким образом, количество зимующих в верхних слоях ила спор синезеленых водорослей может значительно возрасти.
К тому же необходимо отметить, что температура воды - важнейший фактор сезонных циклов фитопланктона. Температурный оптимум разных видов водорослей не совпадает, чем и определяется смена видового состава по сезонам. Общая схема годового цикла фитопланктона в водоемах умеренных широт имеет следующий вид. Зимой подо льдом (особенно когда лед покрыт снегом) фитопланктон почти отсутствует в связи с недостатком солнечной радиации. Вегетационный цикл фитопланктона начинается в марте-апреле, когда солнечной радиации достаточно для фотосинтеза водорослей даже подо льдом. В этот период начинают свое развитие мелкие жгутиковые и холодноводные виды диатомовых водорослей, затем умеренно тепловодные диатомовые, зеленые и синезеленые. В летний период наблюдается максимум продуктивности синезеленых и зеленых водорослей. Диатомовые летом, как правило, занимают подчиненное положение и представлены тепловодными видами. Осенью с понижением температуры воды до (+10)-(+12)°С и ниже снова наблюдается подъем продуктивности холодноводных видов диатомовых (Жизнь растений, том 3 водоросли. Лишайники под редакцией М.М.Голлербаха. М.: Просвещение, 1977, стр.7-100).
Известный способ предусматривает использование в качестве альголизанта суспензию штамма Chlorella vulgaris BIN. Этот штамм зеленой водоросли имеет широкий температурный интервал и проявляет ярко выраженные антагонистические свойства к альгофлоре. А это значит, что совпадение температурных оптимумов диатомовых водорослей и Chlorella vulgaris BEST может вызвать угнетение первых и даже выпадение из биоценоза отдельных видов диатомовых. Кроме того, может нарушиться соотношение биомассы планктонных и бентосных форм диатомовых водорослей.
Диатомовые водоросли занимают совершенно исключительное по своему значению место в общем круговороте веществ в природе. Являясь мощным и неиссякаемым источником органического вещества, они служат постоянной кормовой базой и первоначальным звеном в пищевых цепочках многих организмов. Отмирая, они дают массу детрита и растворимых органических веществ, идущих на питание бактерий и простейших. Сами по себе они являются прекрасной пищей для многих беспозвоночных животных и рыб. Установлена прямая зависимость между количеством и распределением фито- и зоопланктона, фито- и зообентоса и рыбопродуктивностью.
Доминирующее положение в «цветении» воды водохранилищ волжского каскада занимают Microcystis aeruginosa, Anabaena и Aphanizomenon flos-aguae. Эти виды водорослей вызывают «цветение» практически во всех климатических зонах, продуцируют токсины.
Технический результат - предотвращение «цветения» воды синезелеными водорослями.
3
Технический результат достигается тем, что в известном способе, предусматривающем альголизацию водоемов в зимний период - феврале суспензией зеленой водоросли Chlorella vulgaris, согласно изобретению альголизацию водоемов дополнительно проводят в весенний и летний периоды года, в качестве альголизанта используют суспензию штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 с коэффициентом пропускания 1,4-6 в количестве 15-25 л на 1 млн м воды, а в заливах, балках и местах ветровых нагонов из расчета 15-25 л/га, перед альголизацией в зимний и весенний периоды проводят адаптацию альголизанта.
В весенний период альголизацию водоемов проводят дважды в первую фазу весны: марте-апреле, при ледоставе - после вскрытия льда и при прогреве верхнего слоя воды до (+10)-(+12)°С, во вторую фазу: при достижении средней по глубине температуры воды в водоеме (+5)-(+10)°С, в летний период - ежемесячно, а в заливах, балках и местах ветровых нагонов в летний период не менее 2-х раз в месяц.
Адаптацию альголизанта проводят путем его охлаждения от температуры культивирования до температуры воды в водоеме на момент альголизации из расчета 3-5°С в сутки и выдержки при этой температуре в течение 1,5-2 суток.
Альголизацию проводят в течение не менее 3-х лет по той же схеме.
В предлагаемом способе для получения альголизанта используют штамм одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris ИФР № C-111 (Su 1751981, C12N 1/12, опубл. 10.02.1997). Штамм выделен из образцов воды Нурекского водохранилища методом накопительных культур. Молодые клетки слабоэллипсоидные, размером от 0,5 до 2,0 мкм. Взрослые шаровидные диаметром 6-9 мкм, на дно не осаждаются. Оптимальная температура культивирования (+26)-(+36)°С.
Цикл развития штамма следующий: в светлый период суток идет активный процесс фотосинтеза, в результате чего клетки интенсивно набирают биомассу. Размеры клеток с 6 до 21 ч увеличиваются с 3 до 9 мкм. Начиная с 22 до 4 часов, они активно делятся. К 5 часам молодые клетки готовы к фотосинтезу. Цикл развития стойкий, нарушить его можно путем искусственного изменения светового режима.
Доминирующее положение при «цветении» воды в волжских водохранилищах занимает синезеленая водоросль Microcystis aeruginosa, которая относится к классу Chroococceae, порядку Chroococcales, подпорядку Stereometreae, семейству Microcystidaceae Elenk, роду Microcystis. Для порядка Chroococcales характерны одноклеточные и колониальные или только колониальные водоросли, с толстой, слизистой, бесструктурной студенистой массой. Колонии свободные, шаровидные, эллипсоидные или бесформенные. Клетки шаровидные, с газовыми вакуулями, 3-7 мкм в диаметре, густо расположенные в колонии. Размножение - чаще всего происходит делением клеток, реже - образованием нанноцитов.
Оптимальная температура для роста и развития 30-34°С.
Таким образом температурный оптимум для штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 и Microcystis aeruginosa находится на одном уровне.
В клетках Chlorella vulgaris обоих штаммов (используемого в прототипе и в предлагаемом решении) присутствуют клеточные структуры - лизосомы, содержащие ферменты из числа гидролаз, способных расщеплять важнейшие классы химических соединений, включая белки, углеводы, нуклеиновые кислоты.
Основой оболочки диатомовых и синезеленых водорослей является белково-углеводный комплекс, который растворяется под действием гидролитических ферментов Chlorella vulgaris.
Однако активное выделение ферментов у разных штаммов Chlorella vulgaris приходится на различные температуры: 20°С у BIN и 26-30°C у ИФР № C-111. Поэтому в прототипе может иметь место лизис клеток диатомовых водорослей, а в предлагаемом способе - синезеленых, в частности Microcystis aeruginosa.
Проведение адаптации альголизанта к условиям среды водоема обусловлено следующим.
Температура культивирования штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 (+26)-(+36)°С. Температура воды в водоеме на момент альголизации в зимний период, под лед находится в пределах (+0,5)-(+1,5)°С. Внесение суспензии, содержащей клетки в вегетативном состоянии, т.е. способных к активному размножению, в воду вызывает сильнейший стресс, в результате которого в живом организме происходят биохимические изменения, направленные на преодоление фактора, вызывающего стресс. Прежде всего резко возрастает активность окислительных ферментов, изменяется энергетический обмен клетки.
С помощью электронного микроскопа установлено, что молодые клетки штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111, размер которых составляет 0,5-2,0 мкм, при резком изменении температуры сжимаются. Клеточная оболочка, не приспособленная к низким температурам, становится жесткой, закрываются поры, связывающие клетку с внешним миром. Чем выше интенсивность и длительность воздействия, тем больше выраженность этих изменений вплоть до гибели клетки. Взрослые клетки, размер которых 6-9 мкм, помещенные через 30 суток в условия медленного подъема температуры до +26°С, частично восстанавливают способность к размножению.
Изучением клеток штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 установлено, что клетки в вегетативном состоянии (только что полученные при культивировании) имеют первичную оболочку. В процессе медленного охлаждения суспензии происходит естественный переход клеток в состояние покоя с образованием вторичной оболочки, плотность которой значительно выше плотности первичной оболочки. Это придает клетке прочность. Причем примерно в течение 1,5-2 суток после достижения необходимой температуры продолжается уплотнение оболочки.
Медленный подъем температуры воды, содержащей суспензию штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111, из расчета 3-5°С в сутки до температуры +26°С позволил установить, что вторичная оболочка растягивается, становится эластичной, как будто растворяется. Клетка постепенно переходит в вегетативное состояние с высокой активностью к размножению.
Способ осуществляют следующим образом.
Из водоема, предназначенного для альголизации Chlorella vulgaris, отбирают 250-300 л воды и на ней культивировали штамм Chlorella vulgaris ИФР № C-111.
Для культивирования штамма готовят питательную среду следующего состава:
аммиачная селитра
1 кг
суперфосфат, 10% раствор
1 л
хлористое железо, 1% раствор
150 мл
азотнокислый кобальт
1 г
сернокислая медь
1 г
бактериальная суспензия
40 л
Культивирование проводили до достижения коэффициента пропускания 1,4-6%, который определяли на спектроколориметре «Spekol».
Исследования эффективности способа проводили на Береславском водохранилище.
Основные параметры морфометрии водохранилища:
Площадь зеркала, тыс.га
1,52
Объем воды, млн. м<sup>3</sup>
52,5
Максимальная глубина, м
8,4
Средняя глубина, м
3,5
Наибольшая ширина, км
2,9
Длина, км
9,0
Климат района водохранилища резко континентальный: лето жаркое, недостаточно увлажненное, зима холодная, малоснежная. Преобладают сильные восточные и юго-восточные ветра и суховеи.
Основная масса воды поступает в водохранилище за счет искусственной ее подачи из Цимлянского водохранилища насосными станциями. Сначала заполняется цимлянской водой Карповское водохранилище, затем перекачивается вода в Береславское, затем в Варваровское. В период работы шлюзов вода частично из Варваровского водохранилища попадает в р. Волгу, другая часть (около 80-85% от ее расхода) через Береславское и Варваровское водохранилища опять возвращается в Цимлянское водохранилище. С весны до осени, в период навигации, «зимняя» вода водохранилищ сменяется цимлянской водой.
В период «цветения» воды в Береславском водохранилище содержание синезеленых водорослей в составе фитопланктоценоза составляло 62-70%. На долю Aphanizomenon, Anabaena и Microcystis приходилось до 80%.
Альголизацию Береславского водохранилища осуществляли в 2005 г. в определенных точках согласно предлагаемому способу.
Дважды в месяц отбирали пробы воды в различных точках водохранилища. Анализ общей численности и биомассы планктонных водорослей проводили на мембранных фильтрах «Сынпор» №5 с диаметром пор 0,6 мкм методом осаждения. Одновременно собирали материал по фитопланктону для определения видового состава.
Ежемесячно в пробах воды определяли наличие Chlorella vulgaris. Для идентификации штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 одну пробу воды выращивали на элективной питательной среде (N - 64 мг/л; Р - 8 мг/л; Fe - 0,1 мг/л; Co - 0,001 мг/л и Cu - 0,001 мг/л), другую - без добавления питательной среды. Эксперимент проводили при оптимальной температуре (30°С) и освещении (лампа ДРИ-250) в течение 10-12 дней. По истечении указанного срока испытуемые образцы микроскопировали для определения видового состав фитопланктона.
В результате исследований установлено снижение интенсивности размножения синезеленых водорослей. В августе 2005 г. доля последних составила 30% в составе фитопланктоценоза. Причем доминировали такие представители синезеленых водорослей как Gomphosphaeria lacustris Chod и Merismopedia tenuissima Lemm. Доля Aphanizomenon, Anabaena и Microcystis в составе синезеленых водорослей составила 12,7%.
При этом в июне, июле по биомассе доминировали диатомовые водоросли, до 45%, а в августе - зеленые водоросли, до 35%.
Участие штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 в численном составе зеленых водорослей в максимуме отмечено в августе - 3,3% от биомассы.
Повторно альголизацию проводили в 2006 году. В августе 2006 года доля синезеленых водорослей составила 14% в составе фитопланктона. Доминировали представители Gomphosphaeria lacustris Chod.
Доля токсичных водорослей Aphanizomenon, Anabaena и Microcystis в составе синезеленых водорослей составила 6,1%.
При этом в июне, июле по биомассе доминировали диатомовые водоросли 45-46%, а в августе - зеленые водоросли до 37%.
Участие штамма Chlorella vulgaris ИФР № C-111 в численном составе зеленых водорослей в максимуме отмечено в августе - 3,9% от биомассы.