Применение древних донных отложений как средство противодействия цианобактериальному загрязнению водоемов

глобальный экологический кризис: мифы и реальность

УДК 551.513 ББК 26.222

А.О. Смоленский, Ш.Р. Поздняков, А.Н. крюков

ПРИМЕНЕНИЕ ДРЕВНИХ ДОННЫХ ОТЛОжЕНИЙ

как средство противодействия цианобактериальному загрязнению водоемов

Рассмотрена проблема экологического состояния водоемов. Одно из решений данной проблемы - очищение водоемов от загрязнений различными методами. Пресноводные водоемы чаще всего загрязняются при воздействии сточных вод и прилегающих почв, ветровом переносе, из-за выпадения атмосферных осадков и развития гидробионтов, в частности - цианобактерий. При массовом развитии цианобактерий наблюдается «цветение» воды, имеющее ряд вредоносных последствий, особенно появление цианоток-синов. В ИНОЗ РАН в 2012-2014 гг. исследовался один из методов снижения «цветения» на прудах Санкт-Петербурга с помощью диатомита различного гранулометрического состава. Диатомит имеет упорядоченную микро- и нанопористую структуру, которая является основой фильтрационной и сорбционной активности диатомовых водорослей. Выявлено, что применение диатомита приводит к сорбции загрязняющих веществ, присутствующих в водоемах, и в результате происходит ослабление «цветения». Трепел и диатомиты являются осадочными породами, состоящими преимущественно из останков диатомовых водорослей.

Ключевые слова:

вода, водоочистка, диатомит, токсичность, «цветение» воды, экология.

Смоленский А.О., Поздняков Ш.Р., Крюков Л.Н. Применение древних донных отложений как средство противодействия цианобактериальному загрязнению водоемов // Общество. Среда. Развитие. - 2015, № 1. - С. 164-168.

© Смоленский Александр Олегович - младший научный сотрудник, Институт озероведения РАН, Санкт-Петербург; e-mail: Sankoff-s@mail.ru

© Поздняков Шамиль Рауфович - доктор географических наук, заместитель директора, Институт озероведения РАН, Санкт-

Петербург; e-mail: tbgmaster@mail.ru © Крюков Леонид Николаевич - доктор химических наук, главный научный сотрудник Институт озероведения РАН, Санкт-Петербурпе-mail: lake@limno.org.ru

Решение проблемы чистой воды в настоящее время сосредоточено на разработке и совершенствовании способов и технологий питьевой водоподготовки. Тем временем климатические изменения, природные катаклизмы и возрастающее антропогенное воздействие на окружающую среду негативным образом влияют на экологическое состояние водоёмов. В результате в пресноводных озерах и водохранилищах все чаще начинают доминировать вредоносные гидробионты и, в частности, сине-зелёные водоросли, или, так называемые цианобактерии. При этом в настоящее время даже в высоких широтах в большинстве водоемов все боль-

шее развитие получают токсиногенные цианобактерии (Anabaena, Microcystis, Planktothrix), которые при массовом размножении, или «цветении» воды, синтезируют большое количество цианотокси-нов - ядовитых вторичных метаболитов. В перечень этих природных веществ входят гепато-, нейро- и дерматотоксины [4, с. 3]. За вегетационный сезон каждая ци-анобактериальная клетка способна дать —1020 потомков. При этом концентрация цианотоксинов в воде многократно возрастает на стадии отмирания цианобак-терий и последующего лизиса их клеток (внутриклеточное содержание токсинов в молодых клетках составляет от 0,1 до

10 мкг/л) [2, с. 363]. Использование воды «цветущих» водоемов представляет угрозу для человека при численности циано-бактерий >2х107 клеток/л воды и вносит существенные трудности в решение проблемы чистой питьевой воды. Надо заметить, что в последние годы значительные концентрации цианотоксинов были обнаружены в воде Ладоги [14, с. 100], озера Неро [1, с. 223], в Куйбышевском [12, с. 67], Рыбинском, Горьковском, Чебоксарском и других водохранилищах Волги [9, с. 24]. Особенно часто отмечаются гепато-токсичные «цветения», реже - нейроток-сичные. Следует особо подчеркнуть, что в водохранилищах Верхней Волги концентрации цианотоксинов варьируют от 0,13 мкг/л до >1000 мкг/л [11, с. 88]. При этом Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) установлена предельно допустимая концентрация микроцисти-нов (микроцистина-LR) в питьевой воде на уровне не более 1 мкг/л [15, с. 273]. В случаях превышения указанной концентрации ВОЗ рекомендует найти альтернативный источник питьевой воды.

При «цветении» водоемов цианобак-терии в силу своих физиологических свойств концентрируются в слое воды не глубже 2-4 м. При этом акинеты (споры) цианобактерий после зимы всплывают на поверхность воды к солнцу, развиваются, начинают размножаться и «цветение» водоёма становится неизбежным. Далее нарушается атмосферная аэрация воды, образуются цианотоксины, появляется неприятный запах, происходят заморы рыб и гибель других гидробионтов и возникает опасная для здоровья человека экологическая ситуация. За счет интенсивного размножения цианобактерий происходит повышение значений водородного показателя (рН) воды. В щелочной среде возникают на редкость благоприятные условия для развития вирусов полиомиелита, холерного вибриона и размножения других возбудителей болезней человека.

Достаточно часто цианобактерии в прудах и озерах существуют в виде биопленок в сообществе с другими микроорганизмами. Регуляторный механизм («чувство кворума», QS) формирует у биопленок персистентность, т.е. устойчивость к внешним воздействиям. Для биопленок характерным является наличие в них растущих, мертвых и покоящихся «кле-ток-персистеров», последние из которых устойчивы к агрессивным факторам окружающей среды, включая альгициды. При этом сообщество организмов биопленок

имеет нулевой экологический баланс, то есть самодостаточно. Ключевым моментом образования этих сообществ в водоемах является адгезия микроорганизмов на различных поверхностях и в первую очередь на мусоре и других посторонних предметах технического генезиса.

В этой связи постоянно проводятся изыскания методов предотвращения токсичного загрязнения воды в результате сине-зеленого «цветения» пресноводных объектов [8, с. 149]. Недавно стало известно, что в условиях прогрессирующего загрязнения водоемов, как определяющего фактора «цветения», сообщества биоплёнок Nostoc commune различных экотопов могут играть роль биофильтров - поглотителей тяжелых металлов [5, с. 93]. Методами термохимической активации гидроксидом калия и одностадийной карбонизации-активации водяным паром были получены пористые материалы из сапропелей озер Новосибирской области, которые можно использовать в качестве сорбентов в технологиях очистки воды от примесей [7, с. 275]. В ИНОЗ РАН обнадеживающие результаты по влиянию на «цветение» воды были получены при использовании погребенного сапропеля известкового типа с уникальными физико-химическими свойствами.

Естественно, что в формировании качества и безопасности природной воды задействовано множество физических, химических и биологических процессов. При этом биотические превращения являются центральными для всей системы самоочищения водных экосистем. К примеру, сорбция тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей воды частицами оседающих взвесей зависит от концентрации клеток фитопланктона, фотохимическое разрушение примесей определяется прозрачностью воды, которая в свою очередь обеспечивается фильтрационной активностью гидро-бионтов, в частности, диатомовых водорослей, которые среди фитопланктона прудов и озёр закономерно доминируют весной (начало мая), когда сток талых вод приводит к загрязнению и повышенной мутности воды [10, с. 17]. В этой связи следует отметить, что створки диатомей имеют упорядоченную микро- и нанопо-ристую структуру, которая, по-видимому, является основой фильтрационной и сор-бционной активности этих водорослей [3, с. 60]. При этом значительные количества фоссилизированных (окаменевших) останков диатомовых водорослей содер-

CL

cc CI CD Ci

О

3 \o О

жатся в диатомитах и трепелах, которые по существу представляют собой древние донные отложения (ДДО) Мирового океана. В настоящее время эти ископаемые доступны и широко используются как сорбенты и фильтры в текстильной, нефтехимической и пищевой промышленности. Особый интерес вызывают результаты использования ДДО по очистке водных сред от тяжелых металлов и стойких органических загрязнителей воды, табл. 1 [13, с. 25].

Таблица 1 Результаты обработки трепелом модельных растворов веществ

Таблица 2 Характеристика «цветущей» воды опытных водоемов

Определяемый элемент Исходный раствор, мг/л После обработки, мг/л ПДК, мг/л

Железо 1,5 0,3 0,3

Медь 10,0 0,1 1,0

Свинец 0,0006 0,0004 0.03

Нефтепродукты 2,35 0,07 0,1

СПАВ 2,85 0,15 0,5

Фенол 1,0 0,0001 0,001

Бенз(а)пирен 320 мкг/л 0,35 мкг/л 1 мкг/л

Наименование водоема Доминирующие виды цианобак-терий Биомасса циано- Гибель Daphnia Magna, %

Пруд Михайловского сада Planktothrix agardhii; Anabaena affinis, spiroides, circinalis; Aphanizomenon fl.aq. 5-80 60-80

Малый пруд парка Ин-тернацио-налистов Anabaena circinalis, Anabaena flos-aquae, Aphanizomenon flos-aquae 14,519,5 10-20

Учитывая сказанное, логично было предположить, что использование указанных выше фоссилизированных останков диатомовых водорослей позволит положительно повлиять на качество природной воды, остановить лавинообразное размножение цианобактерий и снизить концентрации цианотоксинов в пресноводных объектах. В этой связи в работах ИНОЗ РАН в качестве ДДО разного химического и гранулометрического составов были использованы образцы трепела и диатомитов из отечественных месторождений. Определение характеристик водных сред осуществлялось общепринятыми методами, культивирование водорослей - в стандартных условиях. Исследования проводились на пробах воды из прудов Михайловского сада и парка Интернационалистов Санкт-Петербурга, взятых до «цветения» и в период размножения цианобактерий (с мая по октябрь), табл. 2.

Выше подчеркивалось, что при «цветении» воды образуются разнообразные особо ядовитые цианотоксины и такая вода становится опасной для млекопитающих и остальных гидробионтов водоема. Поэтому на первом этапе по оценке эффективности действия образцов ДДО были проведены соответствующие испытания на культуре рачков Daphnia Magna [6, с. 157], табл. 3.

Таблица 3

Токсичность проб воды из «цветущего» пруда Михайловского сада Санкт-Петербурга через 7 суток после обработки образцами ДДО

№ п/п ДДО Гибель Daphnia Magna, %

1 Контроль 80

2 Диатомит

3 Трепел

Из данных табл. 3 следует, что вода «цветущего» пруда является токсичной, а применение диатомита привело к допустимому качеству водной среды водоема (по действующим нормативам). В этой связи дальнейшие исследования были сосредоточены на изучении свойств образцов диатомитов по отношению к устойчивости биопленок патогенных микроорганизмов с цианобактерия-ми, табл. 4.

Таблица 4 Санитарно-микробиологические показатели проб воды из «цветущего» пруда парка Интернационалистов Санкт-Петербурга после обработки образцами диатомитов

Время действия ДДО Общее микробное число (ОМЧ), КОЭ/мл Общие коли-формные бактерии (ОКБ), КОЭ/100 мл

Через сутки Контроль 1064 333

Через сутки ОДМ-2Ф (диатомит крупнодисперсный) 203 73

Через сутки СДА-Ф (диатомит мелкодисперсный) 190 91

Через 7 суток Контроль 1208 Нет роста

Через 7 суток ОДМ-2Ф (диатомит крупнодисперсный) 876 Нет роста

Через 7 суток СДА-Ф (диатомит мелкодисперсный) 109 Нет роста

Таблица 5 Ключевые гидрохимические

показатели проб воды из «цветущего» пруда парка Интернационалистов Санкт-Петербурга после обработки образцами диатомитов

Время действия ДДО хпк, мг О л-1 мгЧРл-1

Через сутки Контроль 64,00 0,126

Через сутки ОДМ-2Ф (диатомит крупнодисперсный) 56,30 0,115

Через сутки СДА-Ф (диатомит мелкодисперсный) 53,33 0,116

Через 7 суток Контроль 53,33 0,128

Через 7 суток ОДМ-2Ф (диатомит крупнодисперсный) 23,70 0,115

Через 7 суток СДА-Ф (диатомит мелкодисперсный) 23,70 0,097

Приведенные данные в таблице 4 свидетельствуют о высокой адгезионной активности диатомита марки СДА-Ф, что является существенным залогом в ликвидации цианобактериальных биопленок и остановке лавинообразного размножения цианобактерий. Результаты гидрохимического анализа соответствующих проб воды подтверждают правомерность этого заключения. После применения ДДО ключевые показатели развития «цветения» воды стали менее благоприятными для массового размножения цианобакте-рий, табл. 5.

Из анализа таблицы 5 видно, что значения ХПК (кислородный эквивалент количества органических веществ в воде) существенно уменьшились, содержание Робщ снизилось. Закономерно, что после обработки ДДО «цветущей» воды в опытных средах концентрация хлорофилла падала до 8 раз (СДА-Ф) и оставались лишь единичные колонии цианобактерий.

Таким образом, выполненные в рамках данной работы лабораторные исследования на образцах воды, взятых из конкретных естественных водных объектов, показали достаточную эффективность использования ДДО для снижения ключевых гидрохимических показателей, благоприятствующих развитию цианобактерий. Поэтому представляется целесообразным перенос данных экспериментов непосредственно на натурные водные объекты, что является целью последующих работ.

Основные результаты, выполненные на данном этапе исследований, позволяют надеяться, что применение ДДО по остановке опасного размножения токсиногенных цианобактерий в городских прудах вполне оправдано и заслуживает пристального внимания. При этом нельзя исключать, что сорбция цианотоксинов из воды лишает цианобактерии защиты от конкурентов и способствует уменьшению сферы их негативного влияния на среду обитания других гидробионтов. Таким образом, получены новые результаты в области предотвращения токсичного загрязнения воды в результате сине-зелёного «цветения» пресноводных объектов. При этом в силу экологической безопасности ДДО для биотической системы самоочищения водоемов их применение с большой долей вероятности окажет существенное влияние и на решение проблемы чистой воды в целом.

о О

168 Список литературы:

[1] Бабаназарова О.В., Кармайер Р., Сиделев С.И., Александрина Е.М., Сахарова Е.Г. Структура фитопланктона и содержание микроцистинов в высокоэвтрофном озере Неро // Водные ресурсы. Т. 38. -2011, № 2. - С. 223-231.

[2] Белых О.И., Гладких А.С., Сороковикова Е.Г., Тихонова И.В., Потапов С.А., Федорова Г.А. Микро-цистин-продуцирующие цианобактерии в водоемах России, Беларуси и Украины // Химия в интересах устойчивого развития. - 2013, № 21. - С. 363-378.

[3] Вознесенский С.С., Кульчин Ю.Н., Галкина А.Н. Биоминерализация - природный механизм нано-технологий // Российские нанотехнологии. Т. 6. - 2011, № 1-2. - С.60-82.

[4] Волошко Л.Н., Плющ А.В., Титова Н.Н. Токсины цианобактерий (CYANOBACTERIA, CYANOPHYTA) // Альгология. Т. 18. - 2008, № 1. - С. 3-20.

[5] Горностаева Е.А., Фокина А.И., Кондакова Л.В., Огородникова С.Ю., Домрачева Л.И., Лаптев Д.С., Сластникова Е.М. Потенциал природных биопленок Nostoc commune как сорбентов тяжелых металлов в водной среде // Вода: химия и экология. - 2013, № 1 (55). - С. 93-101.

[6] Загребин А.О., Румянцев В.А., Тонкопий В.Д. Использование методов биотестирования и биоидентификации ксенобиотиков для оценки состояния водных экосистем // Общество. Среда. Развитие. - 2014, № 1. - С. 157-160.

[7] Иванов И.П., Шарыпов В.И., Рудковский А.В., Таран О.П., Страховенко В.Д., Кузнецов Б.Н. Изучение сорбентов, полученных из сапропелей озер Качкульня и Барчин (Новосибирская обл.) // Химия в интересах устойчивого развития. - 2014, № 3. - С. 275-281.

[8] Колмаков В.И. Методы предотвращения массового развития цианобактерий Microcystis aeruginosa Kutz emend. Elenk. в водных системах // Микробиология. Т. 75. - 2006, № 2. - С. 149-153.

[9] Корнева Л.Г., Жаковская З.А., Русских Я.В., Чернова Е.Н. Фитопланктон и содержание цианотокси-нов в Рыбинском, Горьковском и Чебоксарском водохранилищах в период аномально жаркого лета 2010 г. // Вода: химия и экология. - 2014, № 8 (74). - С. 24-25.

[10] Летанская Г.И., Протопопова Е.В. Современное состояние фитопланктона Ладожского озера // Биология внутренних вод. - 2012, № 4. - С. 17-24.

[11] Сиделев С.И., Зубишина А.А., Бабаназарова О.В., Кутузова В.Ю., Мартьянов О.В. Мониторинг содержания цианотоксинов микроцистинов в водоемах Верхней Волги: молекулярно-генетический и аналитический подходы // Вода: химия и экология. - 2014, № 8 (74). - С. 88-94.

[12] Степанова Н.Ю., Халиуллина Л.Ю., Никитин О.В., Латыпова В.З. Синезеленые водоросли, циано-токсины, иммуноферментный анализ // Вода: химия и экология. - 2012, № 11 (53). - С. 67-72.

[13] Шилина А.С., Милинчук В.К., Мартынов П.Н., Подзорова Е.А., Чабань А.Ю. Очистка водных сред с помощью трепела - природного сорбента Зикеевского месторождения Калужской области // Вода: химия и экология. - 2009, № 11(17). - С. 25-29.

[14] Voloshko L., Kopecky J., Safronova T., Pljusch A., Titova N., Hrouzek P., Drabkova V. Toxins and other bioactive compounds produced by cyanobacteria in Lake Ladoga // Estonian Journal of Ecology. V. 57. -2008, № 2. - P. 100-110.

[15] World Health Organization: Guidelines for Drinking-water Quality. Health Criteria and other supporting information. - Geneva: World Health Organization, 19 98. - 273 p.

О

3 \o О