Биологические методы

Разносторонние биотические взаимоотношения, связывают гидробионтов с компонентами водоема в единую экосистему. Наличием подобных связей обеспечивается устойчивость структуры водного сообщества в целом, и они значительным образом влияют на процессы, происходящие в водоеме. Организмы чутко реагируют на изменения в окружающей среде, и за незначительными колебаниями биологических параметров отдельных групп видов может происходить полная перестройка структуры сообществ.

Для более подробного понимания подобных взаимоотношений можно рассмотреть теорию «трофического каскада», когда водные сообщества рассматриваются как системы с восходящими трофическими уровнями. Первичные продуценты определяют состояние более высоких трофических уровней (контроль «снизу»), но также и хищничество консументов более высоких порядков создает каскад биотических воздействий, направленный вниз и отвечающий за состояние экосистемы в целом (контроль «сверху») (Бульон, 2002). Есть мнение, что с помощью положений теории действительно можно описывать многие взаимодействия между компонентами водоема, но следует учитывать лишь крупные группы, такие как, например «кладоцеры» или «цианобактерии», а более мелкие уровни детализации объяснены быть не могут. В то же время многие ученные придерживаются другой точки зрения, считая возможным выделить более дробную степень взаимодействия. Однако когда речь идет о практической реализации положений теории, все же особо
выделяют отдельные группы организмов: фитопланктон, зоопланктон (фильтраторы), зоопланктоноядные и хищные рыбы.
Представители зоопланктона могут влиять на фитопланктон, потребляя преимущественно те или иные таксономические группы или за счет снижения доступности минеральных веществ, в особенности фосфора. Можно выделить критическую концентрацию фильтраторов, при которой они могут оказывать влияние (35-530 экз./л) (Kozak, Goldyn, 2004).
«Мирные» организмы зоопланктона находятся под постоянным давлением консументов более высокого порядка. Характер и степень воздействия при этом могут различаться. В ответ на присутствие хищников у многих представителей зоопланктона вырабатываются определенные приспособления. Например, важную роль в определении хищными рыбами своей жертвы может играть индивидуальное плавательное поведение (ИПП) зоопланктона. При наличии равноразмерных дафний одинаковой окраски, рыбы выбирают особей с наиболее быстрым ИПП. Ответной реакцией может служить изменение параметров движения: скорости, направления, конфигурации, наблюдаемые не только при соприкосновении с хищником, но даже лишь при наличии его инфохимикатов. В результате подобный пресс хищников может структурировать размерно-возрастные показатели планктонных фильтраторов. Хищные рыбы существенно влияют и на более крупных представителей зоопланктона, например таких, как Leptodora kindtii.
Помимо ограничивающего эффекта, консументы высоких порядков играют и структурирующую роль. Как было показано для модельных сообществ, в отсутствие хищника, вселение новых видов в зоопланктонное сообщество затруднено, а при его наличии количество сосуществующих видов значительно возрастает. В то же время вселение нового хищника в сложившуюся экосистему может привести к снижению численности одних представителей зоопланктона и увеличению количественных показателей других.

 

Одним из самых распространенных в настоящее время методов, применяющих вышеназванные принципы «трофического каскада» в практике восстановления водных объектов, является биоманипулирование.
Биоманипулирование – это экотехнологическое решение по оздоровлению водоемов, в котором используются манипуляции с трофическими цепями (рис. 2.1.30). Несмотря на то, что впервые этот термин был введен Шапиро в 1975 г. (Shapiro, 1975), практические примеры биоманипуляций были и раньше.

Рис. 2.1.30. Схематичное изображение контроля фитопланктона через трофические взаимодействия (Hupfer, Hilt, 2008)
Перед рассмотрением методов биоманипуляций, стоит проследить естественный пример трофической сукцессии в отношении вершины пищевых цепей – рыб, т.к. именно с ними в первую очередь приходиться иметь дело.
При низком уровне биогенов, хищные окунь (Perca fluviatilis) и щука (Esox lucius) являются доминантами в рыбном сообществе. Когда нагрузка возрастает, также увеличивается и биомасса рыб. Однако в ходе этого особенно быстро происходит увеличение доли карповых рыб, прежде всего плотвы (Rutilus rutilus) и леща (Abramis brama). Часть рациона этих рыб составляет зоопланктон, таким образом, увеличивая на него давление, рыбы снижают поедание им фитопланктона. В первую очередь резко снижается численность крупных форм зоопланктеров, являющихся самыми лучшими фильтраторами, таких как, например, виды рода Daphnia. Кроме того из-за конкуренции, окуни реже достигают размеров хищника и также вынуждены питаться зоопланктоном и бентосом, а не планктоноядными рыбами.
С уменьшением фильтрационной активности зоопланктона, биомасса водорослей существенно возрастает (в 2-4 раза), что находит свое отражение в снижении прозрачности. В добавление к этому, в зоопланктонном сообществе начинают доминировать мелкие формы, неспособные контролировать крупных представителей фитопланктона, например нитчатых цианобактерий. Рыбы могут также активно, напрямую или опосредовано, снижать численность погруженной высшей водной растительности и связанных с ними моллюсков. С их исчезновением пропадают и многие питающиеся ими птицы. В результате мы получаем водоем с большим количеством плотвы и леща, обилием фитопланктона, практически полным отсутствием высших водорослей и значительным снижением численности водоплавающих птиц (Jeppesen et al., 2005).
Повернуть вспять этот процесс можно несколькими путями. Один из них – избирательное удаление планктоноядных рыб. В имеющихся примерах вылов варьировал в диапазоне от 10% до 80% от оцененных запасов рыб (100-870 кг/га, в среднем 321 кг/га). Продолжительность манипуляций составляла от 1 года до 10 лет и более, для многих озер улучшения отмечались немедленно (Sondergaard et al., 2007).
Закрепить положительную динамику можно зарыблением водоема хищными видами рыб, в первую очередь щукой. Эффект наступает не сразу, мальки щуки первоначально питаются микроскопическими ракообразными, насекомыми, затем крупными беспозвоночными и только достигнув достаточной длины (примерно 10,1-13,7 см) – рыбами (Skov et al., 2003). Для достижения эффекта, зарыбление должно обеспечивать высокую плотность рыб (более 0,1 особи на м2) и осуществляться несколько лет подряд (Sondergaard et al., 2000).
Приемы биоманипуляций эффективны не для всех водоемов. Самые успешные примеры отмечены для малых (<25 га) и неглубоких озер (<3 м) (Gulati et al., 2008), кроме того лучше всего «трофический каскад» проявляется на мезотрофных водоемах. Поставленные цели достигаются также не всегда, однако несколько десятков положительных примеров (Gulati et al., 2002; Sondergaard et al., 2007; Cooke, 2005), позволяют говорить о биоманипулировании как об очень эффективном биологическом методе оздоровления водоемов.
Использование биофильтров является широко распространенной технологией очистки вод, как в составе системы доочистки после очистных сооружений, так и в качестве самостоятельной фильтрующей системы (Gulati et al., 2008; Kadlec, Wallace, 2008). Технология предусматривает создание искусственных ветландов, или биоплато, которые представляют собой блоки с почвенно-грунтовой смесью и водными растениями. Они устанавливаются в прибрежной зоне в точках поступления в водоем поверхностного стока и осуществляют очистку поступающей воды. За счет потери скорости водного потока в осадок выпадают взвешенные частицы, а за счет фильтрации через грунтово-растительный слой, а также благодаря микробному сообществу из воды удаляются загрязняющие вещества и биогенные элементы.
В зарубежной литературе подобные конструкции носят названия «constructed wetlands», в русском языке нет общепринятого эквивалента этому термину. В научной литературе встречаются такие определения, как «биоплато», «биоинженерные сооружения», «биологические» и «ботанические площадки», нередко используется простая транслитерация выражения «constructed wetlands» (Сивкова, Семёнов, 2010). Можно отметить, что в основе строения практически всех биоплато лежат четыре основных элемента: водонепроницаемый слой, фильтрующий слой, макрофиты, инженерные коммуникации для распределения стоков по площади биоплато и регулирования уровня воды в нем.
Можно выделить следующие базовые типы искусственных ветландов:
1. Системы поверхностного потока (free water surface, или FWS) –представляют собой затопленные площадки, внешне похожие на естественные болота с открытой водой, на которых по дну высажены водные растения (рис. 2.1.31). Вода самотеком проходит сквозь стебли и лисья растений.
2. Системы горизонтального подповерхностного потока (horizontal subsurface flow, или HSSF) – представляют собой плато, заполненное фильтрующим материалом из гравия, мелких камней, песка, почвы и т.п., на котором высажены водные растения (рис. 2.1.32). Вода подается на поверхность биоплато, при этом участки постоянно открытой воды отсутствуют, и проходит через фильтрующую среду, заполненную корневой системой растений, в горизонтальном направлении ниже уровня поверхности субстрата.

Рис. 2.1.31. Схема организации биоплато по типу поверхностного потока и пример использования для доочистки муниципальных сточных вод
(Kadlec, Wallace, 2008)

Рис. 2.1.32. Схема организации биоплато по типу вертикального потока и пример использования для очистки сточных вод в индивидуальном хозяйстве (Kadlec, Wallace, 2008)
3. Системы вертикального потока (vertical flow, или VF) – похожи на предыдущий вариант, также представляют собой плато, заполненное фильтрующим материалом, на котором высажены водные растения. Вода периодически подается на поверхность биоплато и фильтруется в вертикальном направлении через субстрат и корневую систему растений (рис.).
Стоит отметить, что системы горизонтального подповерхностного потока, из-за конструктивных особенностей препятствующих поступлению кислорода, имеют ограничение в отношении очистки вод от аммонийного азота. Организация гибридных биоплато (VF+HSSF) может решить эту проблему, обеспечивая комплексную систему процессов нитрификации-денитрификации (рис. 2.1.33).

Рис. 2.1.33. Схема организации биоплато по типу вертикального потока и пример использования в гибридной установке (Kadlec, Wallace, 2008)
Возможна организация биоплато в виде извлекаемых при необходимости погружных кассет, заполненных растениями, а также в виде плавающих биоплато (рис. 2.1.34), к плюсам последних можно отнести мобильность,
отсутствие колебаний уровня воды, а также высокую метаболическую активность подводной части, состоящей из развитой корневой системы и микробных сообществ, заселяющих этот удобный субстрат. В качестве примера плавающих биоплато можно привести коммерческие решения: BioHaven™ с естественной циркуляцией воды и Leviathan™ с принудительной циркуляцией.
Можно отметить, что использование биофильтров с погруженными под воду растениями может быть не всегда эффективно, т.к. макрофиты могут погибать от недостатка света при высокой мутности воды (Прыткова, 2002).

Рис. 2.1.34. Схема организации плавающих биоплато и пример их использования на практике: а) запуск биоплато; b) установка ограждений от растительноядных птиц; с) биоплато через 4 месяца; d) биоплато через 13 месяцев (Winston et al., 2013)
К числу биологических методов можно также отнести применение биоаугментации и альголизации.
В качестве примера биоаугментации (внесение специализированных микробных сообществ, усиливающих процессы биодеградации) можно привести отечественную разработку Микрозим™ «Понд Трит». Данная технология использует смесь (6-12 видов) аэробных факультативно мезофильных микроорганизмов, для которых основным источником энергии для жизнедеятельности является свободные органические вещества в воде и донных отложениях водоема. Это искусственно созданный микробиологический консорциум естественных микроорганизмов-гидробионтов, полученных в результате выделения и сравнительного анализа микробной биоты из экосистем здоровых и эвтрофированных водоемов.
Применение препарата «Понд Трит» рекомендовано производителем для биологической реабилитации интенсивно загрязненных, эвтрофных и деградирующих, а также испытывающих повышенную техногенную и антропогенную нагрузку закрытых и слаботочных водоемов любых размеров. К очистке рекомендуются водоемы с высоким уровнем донных отложений, высокой мутностью воды, обилием синезеленых водорослей, тины, ряски, периодическими заморами рыб, ослабленным самоочищением (Микрозим…, 2011).
Заявлено, что благодаря биологической очистке водоема препаратом нейтрализуются последствия органического и биогенного загрязнения и эвтрофирования водоема, восстанавливается биологическое равновесие, вода и донные отложения освобождаются от свободной органики и питательных веществ, влажная масса ила донных отложений сокращается на 40-50%, многократно интенсифицируется микробиологическое самоочищение воды от патогенных и условно патогенных микроорганизмов. Применение биопрепарата позволяет за один теплый сезон привести качество воды в водоеме в соответствие с требованиями СанПиН 2.1.5.980-00 «Охрана поверхностных вод» по показателям БПК, ХПК, взвешенных веществ, азота, фосфатов, растворенного кислорода, ОМЧ, очистить донные иловые
отложения, как источник вторичного загрязнения водоема, от гниющего органического вещества.
Успевшая образоваться к моменту очистки избыточная биомасса синезеленых водорослей, ряски, тины отмирает естественным образом в течение двух-трех недель и опускается на дно, где ее остатки полностью уничтожаются на дне бактериями биопрепарата, а образовавшиеся при разложении биогенные элементы удаляются, связываются, и конвертируются в питание высших видов водной фауны. Деградирование водоема останавливается: прекращается размножение фитопланктона, «цветение» синезеленых водорослей, нитчатых водорослей, ряски, предотвращаются летние и зимние заморы рыб. В результате водоем восстанавливается как самоочищающаяся экосистема, для которой характерно состояние биологического баланса (Микрозим…, 2011).
Расход биопрепарата на очистку водоема составляет от 4 до 5 граммов препарата на 1 м2 водного зеркала при средней глубине водоема 2-2,5 метра. Данная доза вносится в водоем в течение теплого сезона отдельными дозами с двухнедельными интервалами по следующему графику (на 1 м2 водного зеркала):
1 неделя
3 неделя 5 неделя 7 неделя 9 неделя
2 грамма 1 грамм 0,5 грамма 0,5 грамма 0,2 грамма
Препарат вносится в водоем только строго в соответствии с графиком, т.к. произвольное сокращение двухнедельного интервала или завышение кратных доз биопрепарата может привести к кислородному голоданию рыб. Поддерживающая дозировка 0,2 грамма на 1м2 эффективна для очистки воды, когда не требуется глубокая очистка водоема от ила донных отложений. Обработку водоема биопрепаратом рекомендуется начинать в апреле-мае, после прогрева воды до +10?С, но можно приступать к обработке водоема и в течение лета – микроорганизмы препарата будут очищать водоем до становления льда, перезимуют и возобновят активность следующей весной
(Микрозим…, 2011). Стоимость подобной очистки составит примерно 100 тыс. руб. на 1 га акватории (2000 руб./кг препарата). Однако есть и обоснованные сомнения относительно эффективности этого биопрепарата.
Также в качестве примеров коммерческих препаратов на основе микробных сообществ можно привести импортные аналоги, такие как C-FLO-6F™, Bacti-Klear™, PureBacteria™, PondClear™, NutrErazer™ (США), EmTec-FM™ (Таиланд, рис. 2.1.35), предпосылки для применения и механизмы действия которых в целом аналогичны Микрозим™ «Понд Трит».

Рис. 2.1.35. Результат применения биопрепарата EmTec-FM™
(Таиланд, www.emtec.co.th)
В некоторых случаях производитель предлагает целую линейку специализированных препаратов на основе сообществ микроорганизмов, адаптированных к специфическим условиям различных сезонов года, например:
- HBWinterBlend™ – смесь психрофильных (холодноводных) микроорганизмов, для очистки водоемов поздней осенью или ранней весной (5,0-17,8?С);
- HBSpringBlend™ – смесь мезофильных микроорганизмов, витаминов, биостимуляторов и ферментов для применения в предвегетационный период при температуре воды 17,8-25,6?С;
- HBSummerBlend™ – для применения в жаркие летние месяцы при температуре воды выше 26?С;
- HBFallBlend™ – специализированный биопрепарат для ускоренной утилизации накопившейся в водоеме в ходе вегетационного сезона растительных остатков (оптимум температур 17,8-25,6?С).
Процедура альголизации основана на внесении в водоем штамма зеленой водоросли Chlorella vulgaris, что должно приводить к коррекции альгоценоза в сторону увеличения доли зеленых и снижения количества синезеленых водорослей. В основе метода лежит гипотеза о том, что между синезелеными и зелеными водорослями в фитопланктонном сообществе складываются антагонистические отношения (Богданов, 2008). Стоимость процедуры составляет от 3000 до 10 000 руб. на 1 га акватории. Необходимо отметить, что данный метод не прошел достаточной апробации, что затрудняет однозначное прогнозирование последствий оздоровления. Использование альголизации может не только не улучшить экологическую ситуацию в водоеме, но даже наоборот, существенным образом ее ухудшить, несмотря на многомиллионные затраты.
Таким образом, несмотря на плюсы биологических приемов и их «естественность», следует учитывать, что они эффективны не для всех водоемов и как следствие существует высокий риск не достигнуть требуемых результатов в необходимые сроки. Кроме того некоторые методы пока не нашли такого широкого применения для целей оздоровления водных экосистем, как отдельные методы описанные выше, некоторые в силу недавнего появления или недостаточной проработанности, какие-то – вследствие специфичности и особенностей применения, другие – из-за отсутствия достоверных данных об их эффективности.