Борьба с эвтрофированием водоемов
25.07.2024 11:33:00
Поступающие в водоемы биогенные вещества способствует развитию цианобактерий (синезеленых водорослей). В результате, качество воды резко ухудшается. Этот процесс называется эвтрофированием. Цветут все виды водорослей, в т.ч. прибрежная растительность. Но наиболее массово развиваются цианобактерии, виды из родов Microcystis, Anabaena, Aphanizomenon и др. В настоящее время эвтрофированию подверглись около 80% всех пресных водоемов в мире. Большинство существующих методов защиты водоемов трудоемки, дорогостоящи и требуют длительного времени.
В природе основными потребителями микроводорослей (в т.ч цианобактерий) являются водные организмы, в первую очередь зоопланктон. Значительная часть зоопланктона (до 70-80%) является фильтраторами. Их фильтрационная активность настолько велика, что зоопланктон способен профильтровать весь объем воды, где он обитает, всего за несколько суток. Рацион зоопланктона достигает 200% и более от массы тела за одни сутки. При этом перевариваемость пищи крайне низкая. Из-за этого в среду поступает большое количество экскрементов. Они быстро оседают на дно водоема и уже там разрушаются донными организмами (олигохетами, моллюсками, простейшими, хирономидами и др.).
При питании происходит минерализация органического вещества. Этот процесс называется самоочищением водоемов. Чем больше в водоеме организмов - разрушителей органического вещества, тем быстрее протекают эти процессы. Когда процессы создания и разрушения органического вещества сбалансированы, самоочищение протекает быстро.
Основными потребителями зоопланктона являются рыбы-планктофаги и мальки большинства рыб. Многие виды рыб пресных водоемов имеют продолжительный порционный нерест в течение всего вегетационного сезона. Из-за этого в водоемах постоянно присутствует молодь рыб разного размера. Эти рыбы питаются зоопланктоном и донной фауной. Рыбы охотятся визуально и поедают относительно крупные по размеру (несколько мм) виды зоопланктона. В результате размерная структура зоопланктона смещается в сторону мелких видов. Эксперименты показали, что при удалении рыб-планктофагов происходит увеличение численности и размера особей зоопланктона. И, наоборот, при внесении в водоем рыб-планктофагов происходит уменьшение численности и среднего размера рачков. Это сказывается не только на количестве зоопланктона, но и на видовом составе фитопланктона и химическом составе вод. Некоторые виды зоопланктона выедаются настолько, что создается впечатление, что эти виды в водоеме отсутствуют.
В одном из прудов, в которых проводили исследования, наблюдали интересное явление. Оно позволило в какой-то мере понять влияние рыб-планктофагов на развитие зоопланктона. Биомасса зоопланктона из-за выедания рыбами была крайне низкой. К примеру, рачок Simocephalus vetulus в водоеме не встречался, вплоть до окончания исследований (в сентябре). Это связано с его выеданием рыбами. Однако, в проточной экспериментальной экосистеме (куда он проник из водоема) развивался очень хорошо. При изоляции рыб-планктофагов в экспериментальной экосистеме S. vetulus достигал высокой численности. Это привело к снижению до нулевых значений доминирующих в экосистеме колониальных цианобактерий, которые из-за своих размеров не потреблялись зоопланктоном. Они потреблялись зоопланктоном только после их дробления рачками и перевода в разряд потребляемых. В данных условиях S. vetulus способен ограничивать цветение колониальных видов и восстанавливать качество воды. Численность S. vetulus в экспериментальной установке за 1-2 недели (при отсутствии рыб-планктофагов) достигла 4200 экз./л, а в конце августа - 12 тыс.экз./л. При этом размер ракообразных увеличился до 2 мм. И это при том, что в водоеме в этот вид не встречался.
Таким образом, популяционный состав S. vetulus характеризует благоприятные условия для его развития. Особи S. vetulus при высокой численности дробили колониальные зеленые водоросли и цианобактерии на съедобные фракции и полностью их потребляли.
Эти работы послужили основой для дальнейших исследований в других водоемах.
Для того чтобы понять влияние рыб на развитие зоопланктона и фитопланктона были проведены эксперименты в другом небольшом пруду. В этом пруду полностью удалили рыб. Для этого его предварительно осушили. Пруд располагался рядом с полем, где выращивали сельхозкультуры (картофель, капусту и др.). Он постоянно подвергался воздействию смываемых с полей стоков, богатых биогенными веществами. В водоем поступало большое количество соединений азота и фосфора. В год, когда проводили исследования, пруд не зарыблялся. Весной водоем опять залили водой. Предполагалось, что в пруду произойдет цветение водорослей и цианобактерий за счет большого количества биогенных веществ. Однако этого не произошло. Несмотря на наличие в пруду большого количества биогенных веществ, биомасса фитопланктона оставалась небольшой. В нем явного цветения цианобактерий не наблюдалось. В течение всего вегетационного сезона в планктоне преобладали съедобные по размеру водоросли. Прозрачность воды достигала придонного слоя.
Максимум численности водорослей был зарегистрирован в начале августа. При этом представитель цианобактерий – Aphanizomenon flexuosum составлял 2/3 численности фитопланктона. В сообществе зоопланктона пруда были зарегистрированы 12 видов. Крупноразмерная (около 2 мм) кладоцера Daphnia longispina составляла 49-98% биомассы зоопланктона. Численность особей D. longispina в летне-осеннее время достигала 45-70 экз./л. Самки с покоящимися (зимними) яйцами в популяции D. longispina за весь период исследований зарегистрированы не были. Это указывает на благоприятные условия для обитания этих фильтраторов.
Показано, что при отсутствии трофического пресса рыб, и, несмотря на высокую биогенную нагрузку, зоопланктон способен регулировать развитие цианобактерий, и не давать им развиваться. При высокой концентрации биогенных веществ подавление цветения происходит за счет высокой численности и биомассы дафний. Они активно потребляют планктонные водоросли (и цианобактерии) и осветляют толщу водоема. Отсутствие цветения несмотря на высокие концентрации биогенных веществ связано с интенсивным выеданием водорослей зоопланктоном. Отсутствие рыб-планктофагов позволяет развиваться крупным видам фильтрующего зоопланктона, обладающим высокой фильтрационной активностью. Излишки биомассы водорослей ракообразные переводятся в донные отложения, которые там утилизируются донной фауной.
Приведем результаты еще одного эксперимента с Daphnia magna - типичного представителя высокотрофных водоемов, достигая там высокой численности. Однако в наших исследованных водоемах этого не наблюдалось. В количественных пробах этот вид не обнаруживался из-за их малочисленности. Поэтому D. magna отлавливали в прудах зоопарка и вносили в проточную экосистему. Там они продолжали развиваться. В начале работы проточной экосистемы численность особей D. magna составляла 90 экз/л., а в конце лета численность этого вида достигла 8 тысяч. Средний размер особей варьировал от 1,5 до 2,3 мм. Его наибольшие значения были зарегистрированы осенью, в конце эксперимента - 3,6 мм. В период цветения цианобактерий самок с покоящимися яйцами обнаружено не было, что указывает на благоприятные условия среды для развития D. magna .
В экпериментальной экосистеме при изоляции рыб развиваются крупные виды зоопланктона, которые способны снижать биомассу цианобактерий до оптимальных значений. Применение экспериментальных экосистем в реализации потенциальных возможностей крупноразмерного зоопланктона позволяет бороться с цветением цианобактерий.
На первый взгляд может показаться, что роль зоопланктона в водоемах ничтожна. Однако из-за высокой их численности и фильтрационной активности, воздействие на экосистему водоема огромно.
Работа выполнена в рамках темы № FMWZ-2022-0002 Госзадания Института водных проблем РАН, а также в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».
А.П. САДЧИКОВ, д.б.н., МБЦ МГУ,
Т.Н. ГЕРАСИМОВА, к.б.н., ИВП РАН
