Экологическая проблема загрязнения водоемов в Российской Федерации стоит очень остро, самым неблагоприятным последствием этого являются массовые вредоносные цветения воды токсичным фитопланктоном (цианобактерии). Для решения проблемы чаще всего применяются физико-химические методы контроля за развитием фитопланктона. Однако эти методы имеют ряд существенных недостатков: токсичность применяемых реагентов для водной биоты и человека, кратковременность эффекта воздействия на фитопланктон и токсичные цианобактерии, способность альгицидов накапливаться в рыбе и приобретение цианобактериями устойчивости к ним.

Другие подходы к решению проблем экологической реабилитации водоемов предполагают разработку более экологически безопасных технологий, аналогичных или имитирующих природные биологические процессы, происходящие в водных экосистемах. Так, использование биофильтров является широко распространенной технологией очистки вод, в качестве таковых чаще всего используют бактериальные сообщества, основой развития которых являются специально создаваемые искусственные ветланды, или биоплато. Последние представляют собой блоки с почвенно-грунтовой смесью и водными растениями. Они устанавливаются в прибрежной зоне в местах 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. Используют такие природные системы очистки и в виде плавающих на поверхности водоема биоплато. Однако, в таких биоконструкциях основную очищающую роль играет погруженное в воду микробное сообщество, развивающееся в грунтово-корневом слое биоплато. Огромная потенциальная очищающая воду способность самих водных высших растений (макрофитов) в этом методе никак не используется. Другим возможным подходом может быть непосредственное применение макрофитов в качестве естественных биофильтров, подавляющих развитие токсичного фитопланктона и извлекающего из воды загрязняющие вещества. Однако для разработки подобной биотехнологии требуется проведение полевых и экспериментальных исследований, которые продемонстрировали бы способность макрофитов эффективно подавлять развитие токсичного фитопланктона в водоемах и выявили бы возможные экологические механизмы такого подавления.

На базе Регионального Центра экологической безопасности водных ресурсов ЯрГУ и кафедры экологии и зоологии проведена НИР «Изучение механизмов конкуренции между водными сообществами для разработки прорывной экологической биотехнологии реабилитации загрязненных водоемов» (шифр № ОП-2Г-07/2017). Руководитель – к.б.н., доцент Сиделев С.И., исполнитель – к.б.н., доцент, Бабаназарова О.В.

Цель - провести фундаментальное научно-поисковое исследование по изучению возможных механизмов конкуренции между высшими водными растениями и фитопланктоном в модельном озере для поиска прорывной эффективной экологической биотехнологии восстановления загрязненных водных экосистем.

Были получены следующие результаты:

1. Определены основные природные факторы, определяющие исход конкуренции между водными биосообществами, что необходимо для выяснения технических условий оптимального применения в природе разрабатываемого биометода реабилитации водоемов. Для этого была проанализирована многолетняя динамика уровня воды, степени зарастаемости макрофитами, развития фитопланктона и зоопланктона, наличие нейротоксичных цианобактерий в модельном водоеме - озере Неро. Подтверждена главная гипотеза исследования: ключевым пусковым механизмом в конкуренции фитопланктон - макрофиты является повышение уровня воды. Экологическим фактором, определяющим низкое обилие и ухудшение физиологического состояния фитопланктона в южной части озера, являлось наличие плотных зарослей погруженных макрофитов.

2. Анализ данных, полученных в полевых исследованиях модельного водоема, подтвердил способность макрофитов эффективно подавлять развитие токсичного фитопланктона. Вторым этапом исследования был анализ экспериментальных данных для определения экологических механизмов конкуренции между фитопланктоном и макрофитами (Рисунок 1). Экологическая компрессия на фитопланктон модельного водоема со стороны погруженной водной растительности подтвердилась в эксперименте с совместным экспонированием фитопланктона, роголистника Ceratophyllum demersum L. и урути Myriophyllum verticillatum L. При этом C. demersum L. оказал более сильное ингибирующее влияние на фитопланктон по сравнению с таковым M. verticillatum L. (Рисунок 2). Показано, что основными механизмами острой конкуренции между макрофитами и фитопланктоном были биогенное лимитирование и аллелопатия.

             3. Таким образом, проведенное фундаментальное исследование позволило получить новые научные данные о механизмах экологического взаимодействия разных видов погруженных высших водных растений с токсичным фитопланктоном (цианобактериями). Полученные фундаментальные результаты подтвердили техническую возможность использования водных макрофитов в качестве естественных биофильтров, подавляющих вредоносные цветения воды. Это станет основой для поиска и разработки прорывной экологической биотехнологии реабилитации загрязненных водоемов. Научные результаты опубликованы в журналах, включенных в базу Web of Science.

РИСУНОК 1

РИСУНОК 2