6.5. "Цветение" воды, обрастание судов и гидротехнических сооружений, коррозия наземных материалов и конструкций. Токсические водоросли (О. В. Коваленко)

В последние десятилетия во многих континентальных водоемах, а также в морях и океанах участились случаи "цветения" воды, возникающие вследствие массового развития одного или нескольких наиболее приспособленных к данным условиям видов водорослей.

Под "цветением" воды понимают интенсивное развитие водорослей в толще воды, в результате чего она приобретает различную окраску [171]. При этом цвет воды может варьировать от сине-зеленого, ярко-зеленого, серого до желто-зеленого, каштанового или ярко-красного, кирпично-красного и красно-бурого и коричневого (в зависимости от окраски организмов, вызывающих "цветение", и их численности).

Массовому развитию водорослей вплоть до "цветения" воды способствует увеличение эвтрофирования водоемов, которое происходит как под влиянием природных факторов (за тысячи и десятки тысяч лет), так и в значительно большей степени под влиянием антропогенных факторов (за годы, десятки лет).

"Цветение" воды наблюдается как в континентальных водоемах (пресных, солоноватых и соленых), так и в морях и океанах (в основном в прибрежных районах). В морях и океанах "цветение" воды вызывают главным образом диатомовые (Centrophyceae) и динофитовые (Dinophyta), а также синезеленые. В арктических морях отмечается весенне-летнее "цветение" воды, обусловленное интенсивным развитием диатомовых (из родов Fragilaria Lyngb., Amphiprora Ehr., Achnanthes Bory, Bacterosira Gran., Chaetoceros Ehr. В морях северного полушария (Балтийское, Черное, Азовское) "цветение" воды вызывают летом синезеленые водоросли, весной и осенью - диатомовые. Так, в Балтийском море летом происходит массовое развитие Aphanizomenon flosaquae (L.) Ralfs ex Born, et Flah., Nodularia spumigena Mert., видов рода Anabaena Bory [136]. Для морей тропических и субтропических широт наиболее характерны т. н. красные приливы, обусловленные интенсивным развитием динофитовых водорослей, которое наиболее часто наблюдается в прибрежной части Южной Америки и Африки, а также у берегов Индии и Японии. Красное море свое название получило из-за обильного развития в нем синезеленой водоросли Oscillatoria erythraea Kütz. В морях умеренных широт описаны случаи красного "цветения", обусловленные интенсивным развитием диатомовых водорослей: Sceletonema costa turn (Grev.) Cl., Eutreptiella pascheri, Aulacodiscus kittonii Arn. var. africana (Cottan) Rattr., Pyramimonas cruciata. Очень опасно "цветение" воды, вызываемое токсическими видами пирофитовых водорослей (виды родов Gonyaulax Diesing, Gymnodinium Stein).

Красное "цветение" наблюдается и в континентальных водоемах. Так, в Японии нередко обильно развивается пресноводная золотистая водоросль Uroglena americana Calkius. Токсическая золотистая водоросль Рrymnesium parvum Cart, вызывает "цветение" в озерах, горных бассейнах и эстуариях Западной Европы и Ближнего Востока. Лужеобразные пресные водоемы Средней Европы нередко окрашиваются в красный цвет Haematococcus pluvialis Flotow, а соленые водоемы юга Советского Союза - в кирпично-красный Dunaliella salina Teod. из зеленых водорослей.

Из пресноводных водоемов, подверженных "цветению", в первую очередь следует отметить большие равнинные реки и построенные на них водохранилища, а также пруды различного назначения (биологические, технические, рыбоводные, всевозможные отстойники), озера, водоемы-охладители.

В пресных водоемах летом "цветение" воды чаще всего вызывается синезелеными и динофитовыми водорослями, весной и осенью - диатомовыми. Реже "цветение" воды обусловливают зеленые или желто-зеленые водоросли. Из синезеленых водорослей, вызывающих "цветение" в днепровских водохранилищах, встречаются Microcystis aeruginosa Kütz. em. Elenk., M. wesenbergii Komarek, Woronichinia naegeliana (Ung.) Elenk., Anabaena flos-aquae Breb., A. Iemmermannii P. Richt., A. circinalis (Kütz.) Hansg., A. spiroides Klebs., A. affinis Lemm., A. scheremetievi Elenk., Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs ex Born, et Flah.

В период "цветения" пресноводных водоемов биомасса водорослей достигает 1,5-2,0 кг/м³, а в местах их скоплений - 5-7 кг/м³. В штилевую погоду водоросли собираются в поверхностных слоях воды в т. н. пятнах "цветения", где их биомасса достигает 40-50 кг/м³ (в пересчете на сухое вещество, представленное сестоном) [30]. Для сравнения можно указать, что в арктических морях при "цветении" воды биомасса фитопланктона достигает 6-14 г/м³, в Каспийском море 1-3, в Азовском 270 г/м³ [80].

Считают, что умеренная вегетация синезеленых водорослей, до 250 г/м³ (в сырой массе) [237, 265], не сказывается отрицательно на экосистеме водоема и даже напротив влияет на нее положительно. При значительном увеличении биомассы водорослей (до 500 г/м³ и выше), начинает проявляться биологическое загрязнение, вследствие чего значительно ухудшается качество воды. В частности, изменяется ее цветность, pH, вязкость, снижается прозрачность, меняется спектральный состав проникающей в водную толщу солнечной радиации в результате рассеивания и поглощения водорослями световых лучей. В воде появляются токсические соединения (продукты жизнедеятельности водорослей и сопутствующих им бактерий) и большое количество органических веществ, служащих питательной средой для бактерий, в том числе и патогенных. Вода приобретает неприятный запах (например, при обильном развитии Anabaena lemmermannii Р. Richt. вода приобретает затхлый запах). Возникает дефицит растворенного кислорода, который расходуется на дыхание водорослей и разложение отмершей органической массы. Недостаток кислорода приводит к летним заморам рыб и других гидробионтов, а также тормозит процессы самоочищения и минерализации органического вещества. Все это способствует накоплению в воде все большего количества различных вредных веществ, многие из которых небезопасны для человека (токсины, канцерогенные соединения, аллергены). При брожении и разложении водорослей в воде накапливается ацетон, масляная и уксусная кислоты, бутиловый спирт, фенолы, амины типа трупных ядов и др.

Кроме, того, из-за большого количества взвесей в "цветущей" воде ее фильтрование при очистке затрудняется, а повышенная концентрация солей приводит к образованию накипей и осадков в системе технического водоснабжения.

Борьба с "цветением" должна быть направлена прежде всего на предотвращение антропогенного эвтрофирования водоемов, а также на ликвидацию уже имеющихся отрицательных последствий "цветения" [290]. В то же время нельзя забывать о перспективах использования биомассы водорослей, изъятой из водоемов, в хозяйственных целях (см. раздел 6.1.2).

Для профилактики эвтрофирования искусственных водоемов рекомендуется строго выполнять комплекс водоохранных мероприятий, который включает уборку территории будущего ложа водохранилища, надежное захоронение торфяников, создание вокруг водоемов водоохранной зоны, т. е. насаждение наземной и водной растительности. Считают, что из водных растений очень хороши для этой цели тростник и камыш, которые поглощают из воды огромное количество химических элементов и детоксицируют разнообразные ядовитые соединения. Тростник, кроме того, подавляет развитие синезеленых водорослей.

Меры профилактики эвтрофирования разнообразных водоемов предусматривают также ограничение на территории водосбора водоема развития животноводческих комплексов, изменение агротехники сельскохозяйственных работ (использования гранулированных удобрений, увеличения глубины их запашки в почву, соблюдения сроков их внесения в почву) и осуществление мероприятий по защите почвы от эрозии. Заслуживают внимания такие водоохранные мероприятия, как прекращение сброса сточных вод или отвод их за пределы водных объектов; строительство буферных водоемов и предводохранилищ, не допускающих сточные воды в основной водоем; улучшение очистки сточных вод, связывание и осаждение фосфора в водоемах; использование искусственной аэрации водоемов с помощью воздуха или кислорода; сброс из озер и водохранилищ обогащенного питательными веществами придонного слоя воды; использование альгицидов для подавления развития водорослей и, наконец, удаление из водоемов избыточного органического вещества. При этом изъятая биомасса является ценным природным органическим веществом, которое может найти самое разнообразное применение в народном хозяйстве.

Отмечена положительная роль растительноядных рыб (в частности белого толстолобика) в очищении водоемов, подверженных "цветению". При этом толстолобик не отравляется токсинами и не накапливает их в своем теле, если "цветение" воды не превышает определенных пределов; попадая же в массовые скопления синезеленых водорослей, особенно находящихся в стадии разложения, белый толстолобик, также как и другие рыбы, погибает. В некоторых странах для деэвтрофикации водохранилищ с успехом используют теплолюбивую тиляпию. В озере Чад (Африка) тиляпии выедают синезеленые водоросли, предпочитая их зеленым и диатомовым [156).

Организмы обрастаний могут существовать не только в водной среде (перифитон), но и в воздушной (аэрофитон). Среди водных обрастаний встречаются бактерии, водоросли, актиномицеты, грибы, губки, кораллы, ракообразные. В Черном море эта своеобразная группа организмов состоит исключительно из диатомовых водорослей: Melosira moniliformis (О. Mill.) Ag., Navicula pennata var. pontica Mert., Amphora angustata (Greg.) Cl., Licmophora ehrenbergii (Kütz.) Grun., Synedra tabulata (Ag.) Kütz., Achnanthes longipes Ag., Hyalodiscus scoticus (Kütz.) Grun., Pleurosigma elongatum W. Sm. [24]. Диатомовые водоросли вместе с бактериями образуют слизистую бактериально-диатомово-детритную пленку, которая для одних организмов является необходимым условием существования, для других - необязательным субстратом, а для третьих - даже фактором, препятствующим их развитию. Эта слизистая пленка вместе с поселяющимися на ней организмами-обрастателями создает серьезные помехи в хозяйственной деятельности человека. Из-за нее снижается скорость движения судов, увеличивается расход топлива, снижается эффективность работы гидроакустических приборов, появляются коррозия и различные повреждения на металлических конструкциях. Кроме того, слизистая пленка, образуемая обрастателями, может нарушать эксплуатацию водопроводных труб, как на кораблях, так и на берегу, засорять и даже разрушать (коррозия) водоводы, нарушать процессы теплообмена в холодильных установках.

Основной способ защиты от таких обрастаний - применение красок, содержащих различные яды, преимущественно оксид меди (I), оксид ртути (II). Для борьбы с обрастаниями труб их также делают из металлов (в основном из меди), на которых организмы не селятся. Осевшие в трубах организмы уничтожают с помощью горячей или хлорированной воды, ультразвуком, электрическим током, электромагнитным полем и др.

Организмы-обрастатели, существующие в воздушной среде, при определенных условиях могут повреждать промышленные и строительные материалы, памятники архитектуры, картины и т. п., если они не защищены ядовитыми прокрытиями. Эти организмы могут быть представлены водорослями, бактериями, грибами и лишайниками. При исследовании обрастаний промышленных и строительных материалов (стекла, стеклопластика, пенопласта, капрона, органического стекла, стекловолокна, сплавов алюминия и др.) в условиях влажных субтропиков СССР почти на всех материалах были обнаружены зеленые водоросли из родов Chlorhormidium Fott., Chlorella Beijer., Stichococcus Näg. Из всех обрастаемых материалов наиболее подверженными воздействию водорослей оказались образцы стеклопластика. На стенах древних соборов (Киево-Печерская Лавра и Выдубецкий монастырь в Киеве, Екатерининская церковь, Спасский и Борисоглебский соборы в Чернигове) в местах повреждения штукатурки были обнаружены представители зеленых водорослей из родов Desmococcus Brand, em. Visch., Chlorhormidium Fott., Stichococcus Näg., Trebouxia Puym., Chlorella Beijer. Diplosphaera и диатомовых водорослей из родов v Nitzschia Hass., Navicula Воry, а также один представитель из отдела сине-зеленых водорослей (Phormidium Kütz.)

На поверхности фресковой живописи обнаружены грибы, бактерии, а также водоросли. Они росли на влажной поверхности, освещенной солнцем, образуя пятна разнообразных оттенков зеленого цвета, от очень темного, почти черного, до желто-зеленого [666]. В районах с умеренным климатом среди таких водорослей-обрастателей встречены зеленые водоросли из родов Pleurococcus Menegh., Chlorococcum Menegh., Trentepohlia Mart., в условиях тропиков - синезеленые водоросли из родов Oscillatoria Vauch. и Scytonema С. Ag.

Причиной перечисленных повреждений являются продукты метаболизма обрастателей, в основном - органические кислоты. Организмы, их выделяющие, особенно распространены во влажных тропиках, где имеется достаточно влаги, тепла и пыли органического происхождения, являющейся питательной средой для их развития. Биоповреждения от различных объектов обрастаний могут быть довольно значительными.

В последние десятилетия токсические водоросли стали предметом интенсивных исследований. В природных условиях токсичность водорослей проявляется обычно при их обильном развитии, когда многократно суммируется токсический эффект отдельных микроскопических индивидов, не оказывающих заметного отрицательного действия при их обычном развитии. Токсические виды встречаются среди динофитовых, золотистых, синезеленых и зеленых водорослей [88]. Среди динофитовых водорослей, вызывающих "красные приливы" (см. выше) на огромных морских акваториях, к токсическим относятся представители родов Gonyaulax (G. acatenella, G. catenella (Lev.) Kof., G. monilata Howell., G. polyedra Stein., G. tamarensis Leb.), Gymnodinium (G. breve Ballantine, G. veneficum Danis), Noctiluca (N. sciutillan Lebour), Amphydinium (A. klebsii Kof. et Swezy, A. rhynhocephalum Anissim., A. carterae Huburt) [101].

Токсическое действие динофитовых проявляется в массовой гибели рыбы и других морских животных, в раздражении дыхательных путей людей, живущих на побережье, а также в их отравлении (часто со смертельным исходом) при употреблении в пищу некоторых видов моллюсков из родов Mytilus и Saxidomus, которые аккумулируют водорослевые токсины, но сами к ним не чувствительны. Подобные отравления были давно известны жителям морских побережий, которые называют их "моллюсковым токсикозом". Симптомами этой болезни являются прогрессирующий паралич и нарушение дыхания. Смерть в результате "моллюскового токсикоза" может наступить через 2-12 ч в зависимости от полученной дозы.

Выделены и детально исследованы токсины только из нескольких видов динофитовых водорослей: Gonyaulax catenella, G. tamarensis, Gymnodinium breve. Сильное нервнопаралитическое действие выделенных из них токсинов сходно с действием растительного алкалоида кураре и тетродотоксина [101]. К токсическим динофитовым относится также пресноводная водоросль Peridinium polonicum Wotosz. (-Glenodinium gimnodinium Penard), обильно развивающаяся в озерах Японии и вызывающая массовую гибель рыбы.

Среди золотистых водорослей известен один токсический вид - Рrymnesium parvum Cart., который довольно широко распространен в равнинных и горных озерах и эстуариях Западной Европы. Выделяемый этим видом токсин также может быть причиной гибели рыб. На нашей территории Р. parvum зарегистрирован в Азовском море и в солоноватых прудах на Арабатской Стрелке, где наблюдалась гибель сеголетков карпа и других рыб.

Токсичные виды зеленых водорослей относятся к родам Scenedesmus Меyеn (S. quadricauda Breb. и S. obliquus Kütz.) и Coelastrum Näg. (C. microporum Näg.) из порядка Chlorococcales [88].

Наибольшее количество токсических видов выявлено среди синезеленых водорослей. Это Microcystis aeruginosa Kütz. em. Elenk., M. wesenbergii Komarek, M. (Aphanocapsa) farloviana Drouet et Daily, Coelosphaerium kuetzingianum Näg., Woronichinia naegeliana (Ung.) Elenk., Oscillatoria erythraea (Ehr.) Geitl., O. thiebautii (Gom.) Geitl., Lyngbya majuscula (Dillw.) Harv., Anabaena flos-aquae Breb., A. variabilis Kütz., A. lemmermannii P. Rich., A. oscillarioides Bory f. turkestanica (J. Kiss.) Elenk., Nodularia spumigena Mert., Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs, Gloeotrichia echinulata (J. Sm.) P. Rich., G. pisum (Ag.) Thur., Nostoc rivulare (Kütz.) Elenk., Hapalosiphon fontinalis (Ag.) Born. em. Elenk. f. tenuissima (Grun.) Cool, et Setch. [88, 89, 133, 148, 676].

Токсическое действие синезеленых водорослей проявляется в массовой гибели гидробионтов, водоплавающей птицы и домашних животных. У человека при отравлении токсинами этих водорослей развивается аллергия, конъюктивит, пищевая интоксикация. При длительном употреблении воды или рыбы из водоемов, подверженных интенсивному "цветению", человек заболевает гаффской, или юксовско-сартланской, болезнью, в ходе которой поражаются почки, нервная и мышечная система, нарушаются двигательные функции и т. д. Болезнь нередко имеет летальный исход. Вообще по своему действию токсины синезеленых водорослей в несколько раз превосходят такие яды, как кураре и ботулин. Токсичность синезеленых водорослей зависит от их количества, особенностей обитания, видового состава и физиологического состояния.

Токсическое действие Microcystis aeruginosa обусловлено двумя токсинами: один (эндотоксин) образуется непосредственно в теле водоросли и представляет собой циклический полипептид, называемый фактором быстрой смерти (FDF), второй выделяется сопутствующими бактериями [492]. Aphanizomenon flos-aquae выделяет несколько токсинов, из которых изучен только сакситоксин [618]. Виды рода Anabaena продуцируют анатоксин, названный по скорости действия фактором очень быстрой смерти (VFDF), который представляет собой алкалоид. Из Lyngbya majuscula выделен и идентифицирован лингбиотоксин А, также алкалоид.

Технология очистки воды от токсических веществ очень сложна, поэтому предпочтение следует отдавать профилактике чистоты водоемов. Нельзя допускать скопления водорослей вблизи водозаборов и мест отдыха людей, водопоя животных, а также их накопления в системах водоочистки [171].