Поиск по сайту

Переводчик сайта

Блюда из семги

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)
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

Рис. 2.1.31. Схема организации биоплато по типу поверхностного потока и пример использования для доочистки муниципальных сточных вод
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)
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)
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)
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™

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.

 

Showcases

Background Image

Header Color

:

Content Color

: