Как спасти Днепр от цветения?

Версия для печати

Со строительством Днепровской ГЭС 90% реки зарегулировали дамбами и водохранилищами. С тех пор Днепр периодически цветет. Группа ученых из Института гидробиологии НАН Украины во главе с Еленой Билоус имеют гипотезу, что определенные растения могут восстановить химический баланс в акватории Днепра, и что таким образом удастся решить проблему цветения.

Чтобы проверить свою теорию, команда проводит экспедицию по водохранилищам Днепра и исследует взаимосвязи в этой искусственно измененной экосистеме. Издание Ukrainer рассказывает о результатах исследования.

На эту тему: Днепр умирает у нас на глазах. Это – вопрос национальной безопасности

Цветение возникает там, где безответственно эксплуатируют реки и озера. Человеческая деятельность нарушает баланс экосистемы, в результате чего неконтролируемо размножаются водоросли, выделяющие токсины и забирают кислород в других живых организмов. В Украине эта проблема привлекла больше внимания правительства и исследователей, когда зацвел Днепр - важный источник питьевой воды и электроэнергии в стране.

Цветущий Днепр

Днепр - самая большая и самая длинная река Украины. Важность Днепра трудно переоценить: протекая рядом регионов с севера на юг, он обеспечивает питьевой водой более половины населения страны.

Днепр также является уникальной экосистемой, которая поддерживает большое биоразнообразие. Здесь живут десятки видов рыб, а также занесенные в Красную книгу Украины речной бобр, норка и выдра. Неудивительно, что к реке прилегает ряд национальных заповедников (например, Каневский), и ландшафтных парков.

В дополнение, Днепр является незаменимым источником электроэнергии. В 1927-1939 годах продолжалась работа над новаторским проектом ДнепроГЭС-1, который после завершения стал самой большой гидроэлектростанцией в Европе. В 1960-х началось строительство ДнепроГЭС-2. В результате львиная доля реки была зарегулирована дамбами и превращена в каскад из шести водохранилищ. С тех пор стало возможно судоходство по всей длине Днепра - раньше мешали пороги. Сейчас все ГЭС на Днепре производят более 9,4 миллиарда кВт энергии ежегодно - это примерно 4,5% от общей добычи энергии страны.

Вместе с тем такая искусственная трансформация экосистемы имела и негативные последствия, например изменение гидрологического и гидрохимического режимов реки. Экологиня Елена Билоус исследует чрезмерное распространение водорослей в Днепре, в частности в Киевском и Каневском водохранилищах. По ее мнению, этот процесс сегодня стал проблемой, которая вышла за пределы научного интереса

- Это интересует любого человека, который ежегодно наблюдает довольно мощное цветение наших водохранилищ.

Исследовательница уже много лет изучает водоросли. Она рассказывает, что выбирать будущую профессию было не трудно: Елена родилась в семье биологов, поэтому интересоваться наукой ее поощряли с детства. В 2009 году она поступила в аспирантуру и начала работать в Институте гидробиологии НАН Украины - учреждении, которое занимается водными объектами страны. Здесь изучают биоразнообразие пресноводных систем, видовой состав гидробионтов (организмов, обитающих в водной среде) и их поведение, проводят молекулярные и клеточные исследования.

Елена Билоус работает старшей сотрудницей отдела санитарной гидробиологии и гидропаразитологии. Она и ее коллеги определяют, в каком состоянии находятся водоемы в Украине и являются ли они безопасными для гидробионтов и людей, которые ими пользуются. Одной из таких угроз здоровью водных экосистем является неконтролируемое развитие водорослей.

Елена объясняет, что склонность к цветению была побочным эффектом создания ДнепроГЭС. По ее словам, зарегулированный Днепр имеет меньшие проточность и скорость течения - это одна из причин цветения:

- Происходит большее прогревание воды, соответственно это ускоряет процессы размножения водорослей, и тогда мы говорим о цветении.

Кроме того, для создания водохранилищ затопили ряд сел, а с ними - и значительную площадь плодородных черноземов, богатых азотом и фосфором. Оказавшись под водой, эти избыточные элементы нарушили химический баланс водоема и стали пищей для фитопланктона и фитобентоса - одно- и многоклеточных водорослей, живущих в толще воды и на дне.

Такое обильное цветение Днепра было ожидаемым явлением, но ученые и чиновники считали, что река самостоятельно очистится. Однако в 1980-х произошел новый этап цветения. Исследовательница говорит, что на этот раз дисбаланс фосфора и азота стал следствием использования моющих средств с высокой концентрацией этих соединений. Украинское правительство только начинает регулировать этот вопрос и планирует поэтапно ограничивать содержание фосфатов в моющих средствах для бытового и промышленного использования с 31 декабря 2023 года.

Елена объясняет, что есть и другие источники избыточных азота и фосфора. Эти соединения попадают в Днепр со смывом с сельскохозяйственных земель, где используют удобрения и другие химические средства, и со стоками из домов, которые, несмотря на запрет строить в санитарной зоне, продолжают возводить вдоль берегов реки. Ученая отмечает, что в последнее время массово происходят незаконные «врезки»: частные предприятие несанкционированно врезаются в канализационную ситему и таким образом смывают свои стоки в Днепр. Не стоит игнорировать и глобальные изменения климата. Из-за нетипично высоких температур Днепр, как и большинство рек в Украине, мелеет, поэтому количество азота и фосфора, которое считалась нормальным раньше, сейчас является избыточным.

Как бороться с цветением

Елена Билоус говорит, что цветение - это проблема, с которой сталкиваются везде, где общины или безответственно относятся к водоемам, или недостаточно знакомы с последствиями, которые может иметь чрезмерная эксплуатация. Вследствие страдают как гидробионты, так и люди, которые пользуются водоемом. Например, в Украине цветение чаще всего вызывают цианобактерии или синезеленые водоросли. Они выделяют ряд токсичных веществ, которые вызывают аллергию на коже или даже пищевое отравление или поражения печени, если случайно проглотить воду, в которой живут эти организмы. Однако синезеленые водоросли могут навредить даже тем, кто не взаимодействует с рекой непосредственно: токсины накапливаются в рыбе и так попадают в организм человека, что является финальной звеном этого пищевой цепи.

На эту тему: Больной, зеленый Днепр

Последствия цветения для рыбы могут быть значительно более драматичными, по словам коллеги Елены из отдела ихтиологии и гидробиологии речных систем Игоря Абрамюка:

- Цветение воды негативно влияет тем, что водоросли накапливают биомассу, затем начинают отмирать и таким образом забирают на себя кислород. Идет кислородное голодание - рыба задыхается. И потом выделяются токсины при разложении этих органических остатков, что также пагубно влияет не только на рыб, но и на другие водные организмы.

Кроме долгосрочных стратегий вроде повышения общего уровня экологической образованности и улучшения законодательных механизмов защиты водоемов, существует достаточно много путей быстрее помочь цветению и оздоровить экосистему.

Ученая приводит примеры технологически развитых стран, которые искусственно увеличивают проточность рек, применяют аэраторы и другие приборы, чтобы обогатить воду кислородом. Другой эффективный подход, рассказывает Елена, является сугубо экологическим: запустить в водоем тщательно вычисленную популяцию растительноядных рыб, которые бы просто потребили избыточную биомассу водорослей. По такому же принципу работает концепция биоплато. Это плавающие платформы из высших растений, водорослей, микроорганизмов. Вместе они образуют систему, которая очищает воду, поглощая биогены и накапливая металлы и органические соединения, которые трудно разлагаются. Елена рассказывает, что сотрудникам Института гидробиологии стало интересно, можно ли спроектировать такой биоинженерных ставок из растений, которые будут забирать из воды именно избыточные азот и фосфор.

Биогенов - вещества, которые участвуют в биологических процессах водных организмов

Эта идея вдохновила на проведение исследования «Влияние высших водных растений на процессы цветения и репродуктивность», которое сейчас возглавляет Елена. Ученые считают, что определенные высшие растения действительно могут помочь контролировать химический баланс в Днепре. Кроме того, хотят комплексно исследовать влияние высших водных растений на экосистему Днепра. Во-первых, ее искусственно модифицировали, поэтому нельзя быть уверенными, что процессы саморегуляции здесь будут протекать так же, как и в естественной среде. Во-вторых, одни и те же растения могут иметь двоякое влияние на состояние реки.

Например, водяной орех поглощает азот и фосфор из воды, но может негативно влиять на здоровье популяции рыб. Растение имеет крупные плоды (2-5 см) с четырьмя рогами, которые занимают значительную площадь на дне водоема, поэтому некоторым рыбам негде откладывать икру.

Кроме того, еще пять лет назад водяной орех и сам стал угрозой для здоровья экосистемы Днепра. Это реликтовое растение длительное время было занесено в Красную книгу Украины. За это время оно не только восстановило свою популяцию, но и распространилось по Днепру настолько, что стало провоцировать кислородное голодание гидробионтов и заблокировало отдельные места. Тогда Ассоциация рыболовов Украины обратилась к ряду учреждений, в частности, в Институт гидробиологии. Елена рассказывает, что вели масштабное исследование, в результате которого решили исключить водяной орех из Красной книги и уничтожить это растение в части акватории Днепра.

Поэтому сотрудники Института не спешат засаживать Днепр растениями, а собирают данные, которые бы подтвердили, что это поможет уменьшить интенсивность цветения водоема.

Проверить гипотезу

Научный проект сфокусирован на пяти растениях. Это водяной орех, желтые кувшинки, ряска, сальвиния и пистия, или водяная капуста. Последняя - инвазивный вид, который также может неконтролируемо размножаться и забирать кислород, как это произошло около пяти лет назад на Северском Донце.

Инвазивный вид - неприродный для определенной местности организм, который может вытеснять присущи этой зоне виды.

Чтобы получить комплексное представление о роли этих растений в экосистеме Днепра, исследователи провели экспедицию в Киевском и Каневском водохранилищах. Елена рассказывает, что они с командой предварительно выбрали ряд локаций для сбора данных с разным уровнем и видовым составом высших растений:

- Мы ездили в заросли, где был водяной орех и кувшинки, были заросли просто водяного ореха, были заросли рогозы. Около Козаровичей мы нашли свободный участок, которому вообще не было характерно зарастание водными растениями. И вот сравнив между собой эти все станции, мы потом сможем говорить, влияли ли эти растения на процессы цветения.

В течение восьми дней ученые собирали гидрологические показатели, брали пробы на фитопланктон и зоопланктон. Также делали фото с дрона - потом их сравнили со спутниковыми снимками и сделали интерактивную карту растительности Днепра.

Елена объясняет, что набирала команду, учитывая задачи, которые будут стоять перед исследователями:

- Я поняла, что мне нужен гидролог, который сможет говорить о гидрологических процессах в водохранилище, анализировать гидрологические параметры. Затем, говоря о рыбопродуктивности, мне необходим был ихтиолог. Игорь является прекрасным признанным специалистом в области ихтиологии.

Ихтиология - раздел зоологии, комплексно исследующий круглоротых и рыб.

Сама Елена изучает фитопланктон. Анализировать пробы на хлорофилл ей помогает коллега Инна Незбрицкая. Созданием интерактивной карты занимается Тарас Казанцев - основатель Spatiolab. Это независимая команда ученых, ІТ-специалистов и инженеров, которые проводят научные и коммерческие исследования, требующие обработки геопространственных данных.

Ученые исследовали водохранилище на лодках и в сопровождении Киевского рыбоохранного патруля. Патруль давно сотрудничает с Институтом гидробиологии, и для команды молодых ученых это был первый опыт такой кооперации. Елена говорит, что патрульные не только возили их, но и делились своими знаниями об акватории:

- Например, ихтиологу необходимо было выйти из лодки, чтобы просмотреть, какая есть рыба в тех же зарослях. Но рыбоохранный патруль говорит: здесь дно илистое, глубиной один метр. Можно просто утонуть. Это опасно. И (помогали) вот даже такими советами от людей, которые знают эту акваторию в каждом миллиметре. Это было просто бесценно, и мы им очень благодарны.

Елена рассказывает, что в отличие от многих исследований, когда оплачивать материалы и экспедиции надо было за собственные средства, этот научный проект получил грант в размере 650 тысяч гривен в год от Национальной академии наук Украины. По словам исследовательницы, такая финансовая поддержка ощутимо развязала ученым руки и позволила собрать много различных данных:

- Нас - пять молодых ученых, и нам на командировки, экспедиции необходимы серьезные средства. А с помощью этого гранта мы можем приобрести оборудование, технику, которой нам не хватает, реактивы.

На эту тему: Как строительство Днепрогэса повлияло на состояние реки и почему нужна стратегия закрытия ГЭС на Днепре

Бесценные данные

На каждой локации ученые прежде собирали метеорологические данные: температуру воздуха, скорость и направление ветра, - это позволит понять, какие водоросли на определенном участке появились в результате цветения, или же их нанесло ветром. Также сразу определяли координаты, чтобы нанести их на интерактивную карту и при необходимости вернуться и повторить замеры.

Далее гидролог проекта Светлана Батог определяет базовые гидрологические показатели. Сначала собирает воду с поверхности обычным ковшиком, погружает в нее оксиметр и другие приборы, чтобы определить насыщенность кислородом, температуру и уровень pH, то есть водородный показатель. Затем с помощью батометра - полого цилиндра с клапанами, которые закрываются на указанной глубине, Светлана берет пробы воды на разной глубине и проводит те же замеры.

Собранную воду ученые хранят в сумке-холодильнике, чтобы потом в лаборатории определить дополнительные показатели. Например, Елена с Инной будут анализировать значение хлорофилла и таким образом оценивать физиологическое состояние планктона, который живет на определенном участке. Светлана будет высчитывать содержание азота и фосфора - избыток этих веществ является признаком цветения.

Кроме гидрохимических показателей, Светлана измеряет гидрофизические: прозрачность с помощью диска Секки - это глубина, на которой диск уже нельзя увидеть сквозь толщу воды, и цвет - окрашенность водоема просто сравнивают с цветами на специальной шкале. Важным показателем также является скорость течения. Для этого ученые используют электромагнитное устройство с датчиками, которые делают много замеров с определенным временным интервалом и выдают среднее значение.

Когда гидрологические данные собраны, Игорь Абрамюк берет пробы на зоопланктон мальков волохом (бреднем - А.). Это даст возможность исследовать видовой состав рыб, которые живут на определенном участке, и сделать выводы о рыбопродуктивности:

- Ловлю мальков рыб этого года. Таким образом можно будет видеть, какая рыба здесь нерестилась. Я потом буду этих мальков определять под микроскопом.

Пока коллеги работают непосредственно с водоемом, аналитик проекта Тарас снимает локации с дрона для интерактивной карты:

- Эту карту мы будем делать по спутниковым данным, которые обновляются еженедельно. По спутниковым снимкам мы будем рассчитывать местонахождение растительности. Но не будем видеть, что это именно за тип растительности, так как детализация спутников не очень высока. То есть мы не будем понимать, что это за объект. Для этого нам нужно откалибровать спутниковые данные по данным с дрона. После этого мы уже будем (распознавать) аналогичные объекты по спутниковому снимку на всем водохранилище.

Таким образом, карта позволит только по спутниковым снимкам понимать, какие именно высшие растения присутствуют на определенном участке, какую площадь они занимают, и определить их биомассу. Сегодня карты водохранилищ уже готовы. В их основе - спутниковые снимки и карта рельефа дна реки, на которые накладываются несколько слоев. Один маркирует точки из экспедиции и содержит ссылки на данные, которые здесь собрали. Другой показывает, где в акватории растут высшие водные растения, и позволяет рассчитать площадь, которую они занимают. Интенсивность окраски еще одного слоя отражает, насколько велика биомасса водорослей на том или ином участке. Сравнивая информацию из разных слоев и анализируя данные в лаборатории, команда ученых сможет увидеть определенные закономерности.

Однако на этом работа не заканчивается - на основе новой информации они смогут модифицировать свою гипотезу и, возможно, выберут новые локации для сбора данных. Или же найдут неожиданную закономерность и включат дополнительные показатели плана исследования, а замеры повторят в следующем году. Только тогда исследователи смогут подтвердить или опровергнуть гипотезу и понять, действительно ли определенные растения могут воспрепятствовать цветению Днепра.

На эту тему: Цена спасения Днепра

Научный проект, который возглавляет Елена, - это два года кропотливой работы, которая сама по себе не решит проблему цветения, однако поможет получить бесценные данные. Они углубят понимание процессов, происходящих в Днепре, его гидрологического режима и взаимосвязей между живыми организмами. Эти знания дадут ученым возможность предложить эффективный, а главное - постоянный путь уменьшения интенсивности цветения Днепра. И в целом помогут принимать лучшие решения для поддержания здоровья экосистемы главной реки страны. 

—

Налин Ратнакар, фвот: Юрий Стефаняк;  опубликовано в издании  Ukrainer.net

На эту тему:

• Гребля на Південному Бузі знищує нацпарк, а річка почала «цвісти»
• Без Полесья: как Украина может потерять регион из-за водного пути E40
• На грани дефицита: что происходит с питьевой водой в Украине
• «Изумрудная сеть» и прочие наши богатства
• Реанимировать Днепр