Опыт альголизации озера Майбалык (Астана, Казахстан)

Полный текст

Введение.

Загрязнение воды является существенной экологической проблемой и характеризуется наличием загрязняющих веществ в водных ресурсах, которые представляют опасность для всех живых организмов [4].

Загрязнение воды связано с ростом населения и индустриализацией [29]. Около 30% мировых ресурсов пресной воды используется промышленностью и городским населением, которые, в свою очередь, производят большое количество сточных вод, содержащие химических вещества в различных концентрациях [22].

Загрязнение и очистка вод считаются проблематичным вопросом для многих стран мира, в том числе и для Казахстана. Качество воды является важнейшим фактором [10; 17; 27], поскольку оно напрямую влияет на здоровье и продуктивность водных организмов, что определяет продовольственную безопасность большинства стран, занимающихся аквакультурой.

Наиболее перспективными методами борьбы с загрязнением вод считаются биологические, основаннные на использовании биохимической активности микроорганизмов (бактерий, простейщих, микроводорослей и др.). Применение микроводорослей для доочистки сточных вод позволяет решить проблему возрастающей с каждым годом эвтрофикации поверхностных водоёмов [18].

Положительное значение микроводорослей в реабилитации водных техногенных экосистем состоит в фотосинтетической аэрации, продукции биологически активных веществ, обладающих стимулирующим или ингибирующим действием, а также способностью принимать непосредственное участие в утилизации некоторых поллютантов путем аккумуляции, трансформации и минерализации [3].

Микроводоросли обладают способностью поглощать из загрязнённых вод не только азот, фосфор, углекислый газ, которые необходимы для их жизнедеятельности, но также тяжёлые металлы и другие токсичные вещества. Очистка сточных вод с помощью биомассы микроводорослей является весьма перспективной и экономически выгодной [28].

В связи с этим, целью исследования являлась оценка эффективности альголизации озера Майбалык с использованием консорциума на основе зелёных микроводорослей для определения потенциала их применения в биологической очистке водоёмов.

Материалы и методы исследований

Отбор проб воды для изучения морфометрических и гидробиологических показателей озера проводили в июне-июле 2020 и 2021 гг. согласно известным методам в гидробиологической практике [11]. Координаты точек отбора проб (рисунок 1): точка 1 – на территории бывшего рыбопитомника «Мaybalyk» (51^°00'11.4''N, 71^°28'30.3''E); точка 2 – заводь, со стороны заброшенной фермы (51^°01'46.2''N, 71^°30'31.1''E); точка 3 – место разрешённой рыбалки (50^°59'30.1''N, 71^°31'30.9''E).

Для проведения альголизации озера Майбалык предварительно была проведена наработка опытной партии консорциума микроводорослей У1+И2 с помощью фитобиореактора IКA (10 Control, Германия) общим объемом 10 л на питательной среде Тамия.

 

Рис. 1. Озеро Майбалык (г. Астана)

 

Микробиологический анализ воды озера Майбалык проводили в исходных образцах воды (до альголизации) и через 30 суток после обработки консорциума на основе ассоциации микроводорослей с помощью хромогенных селективных сред Compact Dry (Nissui Pharmaceutical Co. Ltd., Япония, предназначенные для определения и подсчета основных физиологических групп микроорганизмов: ТC (для выявления общего микробного числа, ОМЧ); EC (для выявления кишечной палочки и колиформных бактерий); YMR (для выявления дрожжей и грибов); X-SA (для выявления золотистого стафилококка); X-BC (для выявления восковой бациллы); ETC (для выявления энтерококка); ETB (для выявления энтеробактерий); CF (для выявления колиформных бактерий); SL (для выявления сальмонелл); AQ (для выявления гетеротрофов). Для этого методом предельных разведений был сделан высев исследуемых образцов воды объемом 1 мл на поверхность готовых пластин Compact Dry. Чашки инкубировали согласно инструкции изготовителя в диапазоне от 28°С до 43°С в течение 1–3 суток для каждого вида микроорганизмов при аэробных условиях.

Химический анализ образцов проб воды озера Майбалык по основным гидрохимическим показателям во время исследования озера (2019–2020 гг), а также до и после альголизации (2021 г) проводили фотометрическим методом, используя портативный колориметр DR 900 (HACH, Китай), согласно протокола испытаний производителя. Для определения таких параметров как БПК₅, ХПК, растворённый кислород, перманганатная окисляемость, минерализация образцы проб передавали в аналитическую лабораторию Государственного коммунального предприятия «Астана Су Арнасы» (г. Астана).

Результаты и обсуждение

Озеро Майбалык (каз. «май балық» – жирная рыба) – бессточное озеро в Есильском районе города Нура-Ишимского междуречья, находится к юго-востоку от аэропорта. Озеро находится на высоте 350 метров над уровнем моря. Юго-восточный берег обрывистый, высота 3–4 метра, остальные пологие. Дно ровное, илистое. В Майбалык впадают 2 периодически действующих водотока – Карасу и Кызылсу, по которым в Майбалык весной поступает основная масса воды. Пересыхает редко. Толщина льда в малоснежные зимы достигает 1,0 метра, в обычные 0,6–0,8 метра (https://clck.ru/3HPZYi). Уровневый режим озера меняется в течение года, так весной во время снеготаяния уровень повышается, а с середины лета идет на спад. Питание водоёма в основном осуществляется за счет атмосферных осадков и весенних талых вод. Вблизи озера находятся сельскохозяйственные угодья.

Озеро Майбалык является единственным крупным озером в г. Астана, имеющим рыбохозяйственное значение. Ранее в озере Майбалык занимались воспроизводством рыбопосадочного материала на примере рыб семейства карповых. На сегодняшний день озеро находится на грани исчезновения, т. к. уровень воды в нем ежегодно падает с катастрофической скоростью. Причина не только в малоснежных зимах, но и в недавно построенной дамбе: она защищает от наводнений, однако при этом не позволяет талым водам просачиваться в озеро. Обмеление Майбалыка не только сведет на нет рыбный промысел, но также грозит атмосферными изменениями в столице: озеро Майбалык находится в нескольких километрах от мегополиса, и благодаря ему в Астану поступают влажные массы воздуха. Единственное решение проблемы – направить в озеро воду из соседнего канала Нура – Ишим. В настоящее время около 35% берега и водного зеркала заросли тростником, глубина озера составляет всего 1 метр 20 сантиметров (https://clck.ru/3HPZft).

Проведено исследование (усредненная проба) озера Майбалык по основным морфометрическим, гидрохимическим и гидробиологическим показателям за 2020–2021 гг. Результаты представлены в таблице 1.

Данные показатели указывают на умеренное обогащение органикой и достаточный уровнень кислорода, что создает благоприятные условия для проведения альголизации озера и в перспективе – для улучшения качества водоёма в целом.

Регулярное внесение суспензии хлореллы в рыбоводные пруды увеличивает численность кормовых водных организмов, улучшает гидрохимический, особенно кислородный режим водоёмов, что приводит к увеличению продуктивности рыбных прудов в поликультуре (толстолобик, белый амур, карп) до 40%. Благодаря выраженным антагонистическим действием ко многим патогенным микроорганизмам хлорелла имеет преимущества в приспособляемости к условиям аквакультуры [1].

Ввиду того, что микроводоросли для своего роста ассимилируют и потребляют N- и Р- содержащие неорганические соединения, внедрение технологии на основе микроводорослей для доочистки на очистных сооружениях является экономичным и экологически безопасным альтернативным методом удаления загрязняющих веществ из сточных вод [26]. К тому же, микроводоросли способны удалять такие микрозагрязнители как тяжёлые металлы, и стойкие органические загрязнители – хлорированные углеводороды, красители текстильной промышленности и гербициды, которые недостаточно удаляются в результате обычного процесса очистки [21; 24; 25; 29].

 

Таблица 1

Основные параметры воды озера Майбалык

Морфометрические параметры
Площадь, га	Изрезанность береговой линии	Зарастаемость, %	Площадь водного зеркала, га	Максимальная глубина, м	Средняя глубина, м.
1	2	3	4	5	6
2000,00	1,65	35,00	1540,00	3,50	1,20
Гидрохимические показатели
рН	БПК, мг/дм3	Перманганатная окисляемость, мг/дм3	Минерализация, мг/дм3	Растворимый кислород, мг/дм3	СО2, мг/дм3
8,10	2,80	9,54	1364,30	9,68	0,15
Гидробиологические показатели
Ихтиофауна	Зоопланктон	Зообентос	Фитопланктон	Водная растительность
щука, плотва, лещ, карась, карп, окунь, линь	коловратки, ветвистоусые, веслоногие ракообразные	олигохеты, личинки хирономид, стрекоз, ракообразные, моллюски, пиявки	диатомовые, зелёные, сине-зёленые и эвгленовые микроводоросли	камыш, тростник, виды рдеста

 

Для изучения действия и определения эффективности применения микроводорослей в 2021 г. проведена альголизация озера Майбалык консорциумом, сформированном из двух аборигенных штаммов Parachlorella kessleri (Fott & Nováková) Krienitz, 2004) У1 и Chlorella vulgaris (Beijerinck, 1890) И2 (далее У1+И2). Согласно ранее проведенным лабораторным исследованиям, штамм P. kessleri У1 обладает высокой способностью к аккумуляции биогенных элементов и главных ионов [15], тогда как штамм C. vulgaris И2 демонстрирует эффективность в аккумуляции тяжёлых металлов, таких как медь, цинк, железо и марганец [16]. Учитывая эти свойства, было принято решение о внесении ассоциации данных штаммов в виде консорциума У1+И2 в исследуемый водоём. Для подготовки консорциума биомасса была предварительно наработана в лабораторном фотобиореакторе общим объемом 30 л с плотностью суспензии 20±10⁶ кл/мл. Внесение консорциума осуществлялось вручную в 3-х точек озера Майбалык однократно в июне месяце при температуре воды  22 °С. Суспензию микроводорослей разливали на расстоянии 5–10 м и 15–20 м от берега с расчетом 2 л/га. На рисунке 2 представлен процесс внесения консорциума микроводорослей У1+И2 в озеро Майбалык.

 

Рис. 2. Альголизация озера Майбалык:

А) наработка биомассы в фотобиореакторе;

Б) биомасса микроводорослей перед внесением;

В) внесение биопрепарата

 

Автохтонные микроорганизмы составляют основную часть микробиоты водоёмов. Они постоянно развиваются в значительном количестве или испытывают вспышки сезонного развития, являются существенным компонентом трофической цепи и определяют скорости круговоротов углерода, азота, серы и железа [20].

В связи с этим, проведен микробиологический анализ образцов проб воды озера Майбалык до и после альголизации ассоциацией штаммов микроводорослей. Результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 3.

 

Таблица 2

Микробиологический анализ проб воды озера Майбалык  до и после внесения консорциума микроводорослей

Обозначение группы	Наименование группы микроорганизмов	До альголизации, КОЕ/мл	После альголизации биопрепаратом У1+И2, КОЕ/мл
TC	общее микробное число	392	111
СF	колиформные бактерии	232	10
PA	псевдомонады	36	8
AQ	гетеротрофные бактерии	226	57
YM	грибы и дрожжи	24	16
X-BC	восковая бацилла	15	4
EC	кишечная палочка	258	9
X-SA	золотистый стафилококк	56	50
ETC	энтерококки	6	1
ETB	энтеробактерии	125	2
SL	сальмонелла	20	10

 

В результате проведённых исследований выявлено, что через месяц после внесения консорциума микроводорослей наблюдается снижение параметров по всем исследуемым группам бактерий. Внесение биопрепарата уменьшило количество такой условно-патогенной и патогенной флоры как ОМЧ – в 3,5 раз, колиформных бактерий – в 23,2 раза, гетеротрофных бактерий – в 3,9 раз, кишечной палочки – 28,7 раз, псевдомонад – в 4,5 раз, восковой бациллы – в 3,8 раз, золотистого стафилококка – в 1,1 раза, энтерококков – в 6 раз, энтеробактерий – в 62,5 раз, сальмонеллы – в 2 раза, грибов и дрожжей – в 1,5 раза. Данные результаты позволяют установить, что альголизация озера Майбалык штаммами микроводорослей рода Chlorella улучшила санитарно-микробиологические показатели водоёма благодаря высоким антимикробным свойствам.

 

Рис. 3. Микробиологический анализ проб воды озера Майбалык:

А) до внесения консорциума микроводорослей;

Б) после внесения консорциума микроводорослей

 

Проведен анализ образцов проб воды озера Майбалык по основным гидрохимическим показателям до и после альголизации. Результаты представлены в таблице 3.

 

Таблица 3

Гидрохимический анализ проб воды озера Майбалык до и после альголизации

№ п/п	Наименование показателя	ПДК для водоёмов рыбохозяйственного значения, мг/дм3	Значения показателей, мг/л
			исходное (до внесения)	после альголизации консорциумом И2 + У1
1	рН	6,50-8,50	8,10	7,96
2	БПК5	3,00	2,80	1,50
3	ХПК	30,00	50,00	35,00
4	Взвешенные вещества	0,25	30,60	18,00
5	Хлориды	300,00	1030,00	1018,00
6	Фосфат-ионы	0,15 для мезотрофных водоёмов	0,16	0,14
7	Азот аммонийный	0,50	0,90	1,44
8	Нитриты	0,08	0,013	0,018
9	Нитраты	40,00	24,80	8,00
10	Железо общее	0,10	0,40	0,15
11	СПАВ	0,10	0,22	0,15
12	Сульфаты	100,00	130,00	45,00
13	Фториды	0,05	0,38	0,28

 

Исследование образцов воды, отобранных до внесения консорциума, показало несоответствие ПДК для водоёмов рыбохозяйственного значения по следующим показателям: ХПК – 1,7 ПДК, взвешенных веществ – 122,4 ПДК, хлоридов – 3,4 ПДК, азота аммонийного – 1,8 ПДК, железа – 4 ПДК, СПАВ –2,2 ПДК, сульфатов – 1,3 ПДК, фторидов – 7,6 ПДК. По показателям концентрации БПК₅, рН, фосфатов, нитритов и нитратов в пробе воды не превышали ПДК.

Через 30 суток после проведения альголизации озера Майбалык консорциумом И2 + У1 отмечены положительные изменения не только по органолептическим, но и по ряду биогенных и органических показателей, включая ХПК, взвешенные вещества, железо, СПАВ, фосфаты. Зафиксировано повышение прозрачности воды, снижение цветности воды, а также отсутствие специфического запаха. Следует отметить, что, хотя содержание БПК₅, нитратов, сульфатов в исходной пробе не превышало значений ПДК, внесение микроводорослей положительно сказалось на уменьшении концентрации данных веществ, что существенно может повлиять на качество воды водоёма в целом.

Наблюдалось также незначительное увеличение концентрации азота аммонийного, что связано, по-видимому, со свежим загрязнением, вызванным разведением и выгулом животных вблизи озера, хозяйственно-бытовой деятельность человека, сезонной рыбалкой.

В последние годы процесс очистки водоёмов имеет большое экологическое значение. Эта проблема широко обсуждается в научной литературе. Функционирование предприятий, особенно расположенных в городах, наносит непоправимый ущерб экологии. Повышение требований к качеству поверхностных водоёмов заставляет искать более эффективные и экологически безопасные способы удаления загрязнений [12].

Для биоремедиации техногенных экосистем как правило, используют биопрепараты на основе бактерий, мицелиальных грибов и дрожжей, а также высшие растения [13]. Для предотвращения загрязнения водоёмов микроорганизмы и микроводорослии применялись как отечественными учеными, так и в мировой практике [3; 5; 6; 9; 14; 23; 30].

Доказано, что альголизация, т.е. внесение в водоёмы планктонного штамма хлореллы, нормализует гидробиологический режим, предохраняет их от «цветения» сине-зелеными водорослями, которые в процессе массового развития выделяют цианотоксины, губительно действующие на все водные гидробионты [1; 2; 7; 8]. Регулярное внесение хлореллы в течение нескольких лет способствует формированию полидоминантного альгокомплекса, который обеспечивает санитарно-гигиеническое и экологическое благополучие водной экосистемы [19].

Выводы.

Таким образом, в результате проведённых исследований по альголизации озера Майбалык выявлена эффективность применения консорциума микроводорослей рода хлорелла У1+И2 как по гидрохимическим, органолептическим, так и по микробиологическим показателям. Установлено, что применение данного консорциума способствует значительному снижению условно-патогенной микрофлоры, тем самым улучшая санитарные показатели исследуемого водоёма. По гидрохимическим показателям наибольшей деструкции подверглось содержание нитратов, железа и сульфатов. По остальным показателям наблюдалось незначительное снижение концентрации веществ, которые в целом не превышали нормы ПДК в исходных пробах. Полученные данные позволяют судить о том, что консорциум на основе автохтонных штаммов микроводорослей Parachlorella kessleri У1 и Chlorella vulgaris И2 имеет перспективу использования в мероприятиях, направленных на улучшение качества воды в поверхностных водоёмах и проведении биологической очистки от различных органно-минеральных поллютантов.

Об авторах

Жанар Б. Текебаева

Республиканская коллекция микроорганизмов

Автор, ответственный за переписку.
Email: zanartekebaeva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5855-2655
Казахстан, Астана

Жанар Рахымжан

НАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»

Email: r.zhanar80@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0794-906X
Казахстан, Астана

Айдана Базарханкызы

Медицинский университет

Email: bazarkhankyzy.a@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3584-9544
Казахстан, Астана

Алия Ж. Темирбекова

ТОО «Республиканская коллекция микроорганизмов»

Email: atemirbekova94@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8131-0390
Казахстан, Астана

Райхан Р. Бейсенова

НАО «Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева»

Email: raihan_b_r@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0913-9503

д-р биол. наук

Казахстан, Астана

Андрей А. Кулагин

Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»

Email: kulagin-aa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3107-1904

д-р биол. наук, профессор

Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы