6.6. Значение водорослей для решения природоохранных вопросов (В. В. Ступина)

6.6.1. Водоросли - агенты самоочищения естественных водоемов и доочистки сточных вод в системах искусственной очистки

Под самоочищением водоемов понимают совокупность биологических и физико-химических процессов, обусловливающих способность водоема освобождаться от загрязнений. Водоросли являются важным компонентом комплекса организмов, принимающих участие в самоочищении водоемов, формировании качества воды, улучшении санитарно-гигиенического состояния водоемов. Биологически полноценной считается вода, которая содержит не только все соли и микроэлементы, но также белки, ферменты, витамины и другие продукты жизнедеятельности гидробионтов, в том числе и водорослей.

Для ускорения многих процессов биологического самоочищения и улучшения питьевых качеств воды большое значение имеет обогащение ее кислородом, выделяющимся водорослями в процессе фотосинтеза. Установлено, что фотосинтетическая аэрация часто превосходит атмосферную или вполне соизмерима с нею. Так, в Волгоградском водохранилище фотосинтетическая продукция кислорода за вегетационный период достигает 10,5 млн т и примерно равна атмосферной [156]. Фотосинтетическое аэрирование воды не только усиливает минерализацию органических веществ, но и ускоряет многие процессы биологической детоксикации, тем самым улучшая качество воды.

На качество воды огромное влияние оказывают метаболиты, выделяемые в процессе жизнедеятельности водорослей. В экстрактах водорослей обнаружены вещества с антирадикальными и антиокислительными свойствами: α-токоферол, каротиноиды и др. В "цветущих" водоемах обнаруживаются токоферолы, витамины A, D, K и каротиноиды, обладающие антиокислительной активностью, в концентрации 10^-9-10^-6 моль/л. Присутствие в воде большого количества водорослей, способных ферментативно расщеплять перекиси, служит дополнительным фактором подавления неблагоприятных последствий окисления растворенных органических веществ [156].

На основании гипотезы о биологическом инициировании радикальных процессов самоочищения водоемов предложена динамическая модель природной воды как каталитической окислительно-восстановительной системы открытого типа [297]. Роль отдельных групп водорослей в этих процессах различна. Так, зеленые и диатомовые водоросли выделяют в процессе фотосинтеза перекись водорода, способствуя переводу примесей природной воды в окисленное состояние и активируя процессы самоочищения. Синезеленые водоросли, наоборот, выделяют в среду вещества-восстановители, тормозящие эти процессы.

Важным вопросом общей проблемы охраны водоемов является биологическая очистка сточных вод, основанная на деятельности различных микроорганизмов. В системе очистных сооружений для доочистки различных типов сточных вод наиболее широко используют биологические пруды, биофильтры, поля фильтрации. Биологическое самоочищение в них осуществляется в результате жизнедеятельности всех групп организмов, входящих в данную экосистему. Важными компонентами данной системы являются бактерии и водоросли. Бактериальный биосинтез и фотосинтез водорослей - главные биологические процессы, которые обеспечивают доочистку сточных вод. Особый интерес представляет использование для доочистки сточных вод одноклеточных зеленых водорослей. С одной стороны, их развитие, спонтанное или индуцированное, играет важную роль в процессах биологического самоочищения водоемов, с другой - биомасса водорослей может быть использована для получения ценных органических веществ, продуцируемых водорослями.

Основные теоретические представления о факторах и условиях, которые определяют эффективность очистки сточных вод в биологических прудах, сформулированы в ряде работ отечественных и зарубежных авторов [43, 565]. Согласно этим представлениям, в нормально функционирующих аэробных и факультативно аэробных биологических прудах кислород, необходимый для бактериального окисления загрязняющих веществ, доставляют водоросли, которые выделяют его в процессе фотосинтеза. Бактерии, используя растворенный кислород в процессе жизнедеятельности, минерализуют загрязняющие органические вещества. Диоксид углерода, фосфаты, аммонийный и нитратный азот, освобожденные при бактериальном разложении, легко потребляются водорослями, что иногда приводит к их массовому развитию в водоемах.

Исследование состава водорослей различных водоемов, в которые поступают сточные воды различных типов, свидетельствует о том, что основное место в них занимают зеленые, эвгленовые и диатомовые водоросли, а в некоторых случаях - синезеленые. Среди зеленых водорослей доминируют обычно Chlorococcales, устойчивые к длительному воздействию многих токсических веществ.

Клетки водорослей способны аккумулировать из воды различные химические элементы, причем коэффициенты их накопления достаточно высоки. Наиболее мощными концентраторами являются пресноводные зеленые водоросли, особенно нитчатые. При этом интенсивность накопления в них металлов гораздо выше, чем в других пресноводных гидробионтах. Немалый интерес представляет способность водорослей концентрировать в себе радиоактивные элементы. Фитопланктон играет роль ловушки для радионуклидов, он сорбирует большинство продуктов ядерного распада: стронций-90, цирконий-95, иод-131, рутений-106, цезий-137, церий-144, [171]. Отмершие клетки водорослей удерживают накопленные элементы не менее прочно, чем живые, а в некоторых случаях десорбция из мертвых клеток меньше, чем из живых. Способность водорослей концентрировать в клетках и прочно удерживать химические элементы и радионуклиды позволяет использовать их в специализированных системах очистки (дезактивации) промышленных сточных вод.

В связи с разработкой методов массового культивирования одноклеточных зеленых водорослей стало возможным интенсифицировать процессы самоочищения различных типов сточных вод. Так, в культуре водорослей из порядка Chlorococcales на сточных водах резко снижается биологическая потребность в кислороде (БПК), сокращается анаэробный период и раньше наступает стадия нитрификации. При культивировании зеленых водорослей на сточных водах в них снижается содержание минеральных форм азота и фосфора, повышается щелочность, что является одним из существенных факторов очистки.

При массовом развитии зеленых водорослей в сточных водах, как в естественных условиях, так и в культуре, значительно увеличивается скорость отмирания патогенных микроорганизмов. Некоторые зеленые, сине-зеленые и диатомовые водоросли являются антагонистами вируса гриппа, полиовируса и др. [171]. Выделяемые водорослями биологически активные вещества играют важную роль в обеззараживании воды и подавлении жизнедеятельности патогенной микрофлоры.

Водоросли, так же как и бактерии, принимают участие в очистке сточных вод от ряда органических соединений, утилизируя необходимые биогенные элементы [182]: фосфопротеиды, фосфолипиды, фосфогликозиды, нуклеиновые кислоты. Как источник фосфора водоросли могут утилизировать даже синтетические детергенты. Имеются сведения о деструкции водорослями таких органических соединений, как сахара, аминокислоты, пептон, гидролизат казеина, а также таких компонентов сточных вод как фенол и алкилсульфат. В специальных биологических прудах сообщества водорослей и бактерий используют для разложения и детоксикации гербицидов. Доказана способность ряда зеленых водорослей (Chlorella, Chlamidomonas Ehr.) и синезеленых (Gloeocapsa (Kütz.) em. Gollerb., Anabaena Bory, Tolypothrix Kütz.) гидролизовать ациланилидный гербицид пропанил, превращая его в 3,4-дихлоранилин, который быстрее разрушается бактериями. Некоторые синезеленые водоросли разлагают фенилкарбаматные гербициды - профам и хлорпрофам - соответственно на анилин и хлор производные [171].

Сточные воды, очищенные с помощью наиболее совершенных методов, все же остаются токсическими по отношению к гидробионтам. Альгобактериальные сообщества, которые используются для доочистки сточных вод, позволяют получить воду, которая по гидрохимическим и бактериологическим показателям соответствует ГОСТу "Вода питьевая" [182].