БОРЬБА С ЭВТРОФИРОВАНИЕМ ВОДОЕМОВ
31.03.2021 18:25:00
Повышенное содержание биогенных веществ приводит к «цветению» водоёмов. Этот процесс называется эвтрофированием. При эвтрофировании водоёмов происходит увеличение биомассы фитопланктона, в основном за счёт развития синезелёных водорослей (их по новой классификации называют цианобактериями). «Цвести» могут любые виды водорослей, но наибольший отрицательный эффект вызывают цианобактерии.
Основным потребителем водорослей является зоопланктон, который сам служит пищей для хищных беспозвоночных и рыб. В пресных водоёмах зоопланктон в основном представлен видами с фильтрационным типом питания – до 80% общей массы зоопланктона. Фильтрационная активность зоопланктона настолько велика, что в эвтрофных водоёмах весь объем воды проходит через фильтрационный аппарат зоопланктона всего за одни сутки. Зоопланктон использует в пищу водоросли малых размеров (в основном до 30-50 мкм). При высокой численности крупных и колониальных водорослей, возникают механические помехи процессу фильтрации. Из-за этого зоопланктон не может нормально отфильтровывать имеющиеся в водоёме мелкие съедобные водоросли и происходит «цветение» водоёмов.
Продолжительность такого «цветения» может достигать нескольких месяцев. Механизм «взрывного» характера развития цианобактерий связан с колоссальным потенциалом их размножения. Дополнительная причина, которая способствует развитию цианобактерий, это повышенная температура воды в летнее время и слабое перемешивание водоемов. В значительной мере по этой причине «цветут» многие равнинные южные водохранилища. Цианобактерии обладают положительной плавучестью – всплывают к поверхности воды. Это приводит к повышенной концентрации органического вещества в верхних слоях водоема.
При «цветении» водоемов и особенно при отмирании водорослей происходят значительные структурные изменения в водных сообществах. Цианобактерии становятся доминирующей группой, вытесняя другие виды водорослей. Из сообщества выпадают доминировавшие ранее диатомовые, динофитовые, золотистые, зеленые и другие водоросли.
Массовое развитие цианобактерий приводит к увеличению содержания в водоеме органического вещества в растворенной и взвешенной формах. Их разрушение осуществляется бактериями с интенсивным потреблением кислорода. Органического вещества становится настолько много, что в водоеме наблюдается дефицит кислорода. Если в летнее время недостаток кислорода сравнительно легко восстанавливается за счет газообмена с атмосферой и фотосинтеза водорослей, то зимой, в период ледостава, в придонном слое возможно полное потребление кислорода. В зимнее время заморы часто происходят во всей толще воды, что приводит к массовой гибели рыб. Отсутствие кислорода приводит к образованию в придонной зоне сероводорода и метана.
Развитие цианобактерий отрицательно сказывается на зоопланктонном сообществе. Это связано с тем, что зоопланктон в основном поедает мелкие водоросли, а при «цветении» развиваются колониальные формы, которые практически не потребляются ракообразными.
Наши исследования в Чистом пруду (г.Москва) показали, что при «цветении» анабены (Anabaena spiroides) ее размерная структура на 2/3 представлена крупной непоедаемой фракцией (размером более 100 мкм). Тогда как «съедобная» для зоопланктона фракция (до 50 мкм) составляла всего 8% общей биомассы анабены.
Качественный и количественный состав зоопланктона во многом определяется трофическим прессом рыб-планктофагов. Некоторые виды рыб имеют продолжительный порционный нерест в течение всего вегетационного сезона. Из-за этого в исследованном пруду постоянно присутствовали мальки и молодь рыб разного размера. Рыбы-планктофаги жестко контролировали численность и размерный состав зоопланктона.
Из-за этого в планктоне оставались коловратки (размером 0,1-0,4 мм) и мелкоразмерные виды рачков (около 0,5 мм), которые не могут сдерживать развитие цианобактерий. Крупноразмерные кладоцеры (к примеру, D. longispina) присутствовали в пруду, однако их размер не превышал 0,5-0,6 мм. Это чем-то напоминает газон, который постоянно стригут. Крупные виды ракообразных выедаются рыбами, а мелкие – остаются. Наибольший размер крупноразмерных видов D. longispina (1,2 мм) и Simocephalus vetulus (1,3 мм) был зарегистрирован только в сентябре. Скорее всего, в это время из-за низкой температуры воды (около 12оС) активность питания рыб-планктофагов и их мальков уменьшилась.
В другом исследованном пруду, в котором отсутствовали рыбы-планктофаги (его предварительно осушили), несмотря на наличие большого количества биогенных веществ, цветение цианобактерий летом не наблюдалось. В этом пруду развиваются в больших количествах крупноразмерная D. longispina, которая выедала цианобактерии. За счёт этого прозрачность воды по диску Секки достигала более 2 м (практически до дна).
Исследования в Чистом пруду проводили в проточных плавающих экосистемах. Они были заякорены в центральной части водоема и поддерживались на плаву с помощью поплавков. Глубина в этом месте составляла около 2 м. Для изоляции зоопланктона от ихтиофауны в качестве фильтра использовалась капроновая сетка с ячеей 0,5 мм. Рабочий объем проточной экосистемы составлял 1,5 м3, полная замена воды происходила в течение одного часа.
В экспериментальной экосистеме наблюдалась иная картина, чем в пруду. Изоляция ихтиофауны от планктонного сообщества приводило к нарастанию биомассы фильтрующего зоопланктона S. vetulus. Молодь рачков проникала в экспериментальную экосистему из водоема через сетку, где продолжала развиваться. Кормом служил фитопланктон, поступающий в экосистему вместе с водными массами из пруда.
Анализ размерной структуры фито- и зоопланктона показал, что Simocephalus хорошо приспособлен к жизни в проточной экосистеме при отсутствии пищевого пресса рыб. Это проявляется в увеличении размера, численности и биомассы популяции S. vetulus, в отличие от водоема при пищевом прессе рыб-планктофагов.
Если в пруду преобладали крупные нити анабены, которые не потреблялись ракообразными, тогда как в экспериментальной экосистеме, наоборот, превалировали колонии небольшого (съедобного) размера. Это произошло за счет разрушения (дробления) крупных нитей анабены ракообразными. Биомасса крупных фракций перешла в более мелкие размерные группы, потребляемые дафниями.
За счёт механического воздействия ракообразных (при движении и биении плавательных антенн), а также потока воды в экспериментальной экосистеме происходит дробление несъедобных нитей анабены. В результате улучшается кормовая база экосистемы. Однако этот процесс возможен лишь при высокой численности зоопланктона в экосистеме, когда создается, так называемая «толчея» ракообразных. За счёт дробления колоний цианобактерий ракообразными и в условиях проточности происходит разрушение несъедобных крупных фракций. За счёт этого ракообразные «создают» для себя приемлемую фракцию для дальнейшего использования. В результате происходит очищение водоема и улучшение качества воды.
Изолирование рыб в экспериментальной экосистеме при помощи сетки привело к перестройке сообщества, начали развиваться крупные виды зоопланктона, которые оказывали отрицательное воздействие на развитие цианобактерий. Численность дафний достигла 4600 экз./л. а, биомасса стала в 3 тысячи раз больше таковой в водоеме (на единицу объема). В составе популяции постоянно присутствовали ювенильные и размножающиеся особи. Самки с эфиппиальными (покоящимися) яйцами в августе, во время цветения цианобактерий, зарегистрированы не были, что указывает на благоприятные условия среды для развития дафний. Кормовая база дафний в экспериментальной установке увеличивалась за счет разрушения (дробления) крупных колоний цианобактерий и перевода их в более мелкие фракции, потребляемые этими ракообразными. Фильтраторы «создавали» для себя приемлемую размерную фракцию для дальнейшего потребления. Это способствовало увеличению кормовой базы экосистемы.
Таким образом, трофический пресс рыб приводит к удалению из экосистемы пруда крупных видов зоопланктона. Небольшие размеры и низкая биомасса мелкого фильтрующего зоопланктона не позволяла им эффективно влиять на развитие цианобактерий. В то же время наличие в водоеме достаточного количества биогенных веществ способствовало «цветению» цинобактерий. Изоляция рыб от зоопланктона в экосистеме способствует развитию крупных видов ракообразных, которые могут дробить колонии цианобактерий и использовать их в пищу, тем самым снижая интенсивность «цветения» водоёмов.
Т.Н. ГЕРАСИМОВА, к.б.н.; П.И. ПОГОЖЕВ, к.б.н., ИВП РАН,
А.П.САДЧИКОВ, д.б.н., проф., МГУ
