Розвиток корисних прісноводних водоростей

Розвиток корисних прісноводних водоростей

Система водоростей та перифітону DREVO Living Waters

Концепція

У системі DREVO Живі гори прісноводні водорості розглядаються як один із базових рівнів життя річок, струмків, боліт, заплавних озер та відновлених водойм.

Вони здатні:

перетворювати сонячну енергію на органічну речовину;

формувати основу водяної харчової мережі;

служити кормом для зоопланктону, молюсків, личинок комах та риб;

виділяти кисень у світлий час доби;

пов'язувати частину розчинених поживних речовин;

створювати біоплівки на каменях, деревині та рослинах;

підтримувати самоочищення води;

брати участь у формуванні донних відкладень;

служити індикаторами якості води.

Проте корисними водорості залишаються лише за збалансованої щільності. Надмірне зростання фітопланктону та ціанобактерій здатне викликати токсичне цвітіння, падіння прозорості та дефіцит кисню. Деякі прісноводні ціанобактерії виробляють мікроцистини, анатоксини, циліндроспермопсин та інші небезпечні речовини.

Головний принцип:

Завдання проекту — не удобрювати воду для швидкого зростання водоростей, а створювати умови для сталого розмаїття місцевих водних виробників.

1. Що вважати корисними водоростями

Корисність визначається як назвою виду, а й його функцією, чисельністю і місцем розвитку.

Бентосні мікроводорості

Живуть:

на камінні;

на гравії;

на деревині;

на донних відкладах;

на стеблах водяних рослин.

Вони входять до складу перифітону - Складної біоплівки з водоростей, бактерій, грибів, найпростіших та органічного матеріалу.

Перифітон:

є їжею для водних безхребетних;

пов'язує розчинені речовини;

насичує мікрозону киснем;

бере участь у самоочищенні;

швидко реагує зміну якості води.

Одночасно перифітон здатний накопичувати забруднювачі та передавати їх по харчовому ланцюгу, тому його не можна штучно розвивати у забрудненій воді без аналізу донних відкладень.

Діатомові водорості

Діатомеї особливо важливі в:

чистих струмків;

річках;

джерельних водоймах;

мілководдя з кам'яним і гравійним дном;

холодних та помірних водах.

Вони утворюють тонкі плівки на субстраті і служать кормом для:

равликів;

личинок день;

струмочників;

ракоподібних;

молоді риби.

Їхня різноманітність часто використовується для оцінки екологічного стану водотоків.

Зелені мікроводорості

В помірній концентрації підтримують:

зоопланктон;

мальків;

фільтруючих тварин;

природну продуктивність ставків та заплавних водойм.

Але щільний зелений фітопланктон не можна вважати автоматично корисним: надмірна біомаса також може призвести до нічного та посмертного дефіциту кисню.

Харові водорості

Харові - великі донні водорості, що нагадують вищі водні рослини.

Вони можуть:

формувати підводні луки;

стабілізувати опади;

створювати укриття для безхребетних та молоді риб;

підтримувати прозору воду;

конкурувати із надлишковим фітопланктоном за поживні речовини.

Їх відновлення особливо перспективне в:

чистих озер;

прозорі стариці;

неглибоких вапняних водоймищах;

захищених заплавних чашах.

Застосовуються лише місцеві види та матеріал із того ж водозбору.

Місцеві нитчасті зелені водорості

У невеликій кількості вони:

створюють укриття;

дають субстрат безхребетним;

беруть участь у первинній продукції.

При масовому розвитку вони:

покривають дно щільними матами;

затримують сміття;

заважають течії;

викликають сильні добові коливання кисню;

погіршують нерестовища.

Тому нитчасті форми не цільової культурою, а контрольованої частиною спільноти.

2. Ціанобактерії: необхідна група, але не цільовий об'єкт вирощування

Ціанобактерії часто називають синьо-зеленими водоростями, хоча біологічно це фотосинтезуючі бактерії.

У природній екосистемі вони беруть участь:

у первинній продукції;

у кругообігу азоту;

у формуванні біоплівок;

у харчуванні окремих організмів.

Але штучно стимулювати їхній масовий розвиток не можна.

Небезпеку становлять пологи та групи, здатні формувати щільні або токсичні цвітіння, у тому числі:

Мікроцистис;

Доліхоспермум;

Афанізоменон;

Планктотрикс;

Рафідіопсіс;

окремі донні ціанобактерії.

На вигляд неможливо надійно визначити токсичність цвітіння, тому підозрілі скупчення вимагають аналізу води та біомаси.

3. Екологічна мета

Проект повинен прагнути не максимальної маси водоростей, а наступного стану:

висока видова та функціональна різноманітність;

тонкий стійкий періфітон;

прозора чи помірно прозора вода;

відсутність щільної поверхневої плівки;

стабільний кисневий режим;

наявність підводних рослин;

помірний фітопланктон;

розвинений зоопланктон;

присутність молюсків та водних комах;

відсутність домінування токсичних ціанобактерій.

4. Основні зони розвитку

Джерела та верхні струмки

Пріоритет набувають:

діатомові спільноти;

тонкий періфітон;

водні мохи;

біоплівки на камені та деревині.

Необхідно:

зберігати прохолодну воду;

підтримувати затінення;

не вносити добрива;

не замулювати гравій;

захищати джерело від худоби.

Гірські та середні струмки

Створюються різні субстрати:

валуни;

галька;

гравій;

деревина;

спокійні бічні кишені;

ділянки помірної течії.

Це формує різні спільноти водоростей та безхребетних.

Заплавні озера та стариці

Пріоритет:

помірний фітопланктон;

харові водорості;

підводні рослини;

перифітон на рослинності;

розвинений зоопланктон.

Необхідний зв'язок із заплавою, але без постійного надходження добрив та гною.

Болота

У болотах водорості розвиваються:

у мілководних вікнах;

на сфагнумі;

на осоках;

у сезонних чашах;

на деревині;

у невеликих протоках.

Не слід перетворювати природне болото на високопродуктивний водоростевий ставок.

Штучні біофільтраційні водоймища

Тут можливий контрольований розвиток водоростевих біоплівок для:

захоплення поживних речовин;

попереднього очищення стоку;

виробництва технічної біомаси;

харчування зоопланктону.

Такі басейни повинні бути відокремлені від природного ядра та мати можливість збирання біомаси.

5. Створення відповідного субстрату

Для розвитку корисного перифітону створюються поверхні різної структури.

Кам'яний субстрат

Використовуються:

місцеві валуни;

галька;

великий гравій;

плоских каменів.

Камені створюють:

освітлені поверхні;

тіньові сторони;

зони різної швидкості течії;

укриття для безхребетних.

Дерев'яний субстрат

Застосовуються:

занурені гілки;

кореневі системи;

стійко закріплені стволи;

дерев'яні ґрати.

Деревина підтримує:

водорості;

гриби;

бактерії;

личинок комах;

молюсків.

Використовується необроблена чиста деревина місцевих порід.

Рослинний субстрат

Підводні та прибережні рослини дають велику площу для перифітону.

Особливо цінні:

занурене листя;

стебла осок та ситників;

кореневі системи;

підводні луки.

Пористі мінеральні модулі

У технічних біофільтрах можна використовувати:

пористу кераміку;

природну пемзу;

лавовий камінь;

цеолітові носії;

мінеральні сітчасті касети.

У природному водоймищі штучні модулі застосовуються обмежено, щоб не замінювати природний субстрат технічною конструкцією.

6. Світловий режим

Різні водорості вимагають різного освітлення.

Для формування різноманітності необхідна мозаїка:

сонячних мілководдів;

півтіні;

затінених берегів;

відкритих водяних вікон;

ділянок під деревиною;

глибших зон.

Повне видалення берегових дерев призводить до перегріву та може посилювати небажане зростання водоростей.

Повне затінення, навпаки, пригнічує первинну продукцію.

Тому зберігається чергування відкритих та затінених ділянок.

7. Управління поживними речовинами

Головне джерело небезпечного цвітіння — не відсутність «корисних водоростей», а надлишок доступних поживних речовин, насамперед азоту та фосфору.

Джерела:

сільськогосподарський стік;

мінеральні добрива;

гній;

побутові стоки;

рибництво;

ерозія родючого ґрунту;

забруднені донні відкладення;

зливова каналізація.

EPA вказує, що найбільш ефективна профілактика цвітіння полягає у зниженні надходження азоту та фосфору з точкових та розосереджених джерел.

Заходи DREVO

буферні смуги;

вологі луки;

фільтраційні болота;

наносоуловлювачі;

роздільне збирання гною;

закриті напувалки;

відновлення заплави;

зниження ерозії схилів;

очищення побутових стоків;

обмеження фосфатних скидів;

контроль аквакультуры;

видалення надлишкової біомаси із технічних басейнів.

8. Чому не можна просто удобрювати природне водоймище

У рибоводних ставках добрива іноді використовують підвищення кількості фітопланктону як природного корму. FAO описує такий підхід для керованих виробничих ставків.

Але цей метод не можна автоматично переносити на:

природні озера;

річки;

болота;

джерела;

питні водоймища;

заплави, що охороняються.

Результатом можуть стати:

ціанобактеріальне цвітіння;

нічне падіння кисню;

загибель риби;

накопичення токсинів;

зникнення підводних рослин;

заміна різноманітного співтовариства декількома домінуючими видами.

9. Кисневий режим

Водорості виділяють кисень при світлі, але водночас дихають.

Вночі фотосинтез припиняється, а споживання кисню продовжується.

Після масового відмирання водоростей бактерії розкладають біомасу та додатково витрачають кисень. Тому денне високе значення кисню ще означає благополуччя.

Контролюються:

кисень перед світанком;

кисень вдень;

добова амплітуда;

температура;

глибина;

швидкість течії;

органічне навантаження.

Найбільш небезпечний момент часто настає перед світанком та після розпаду цвітіння.

10. Підтримка зоопланктону

Корисний фітопланктон має бути включений до харчової мережі.

Необхідні:

коловратки;

гіллястовусі ракоподібні;

веслоногі ракоподібні;

інші місцеві фільтратори.

Вони:

споживають мікроводорості;

підтримують прозорість;

служать кормом малькам;

перерозподіляють поживні речовини.

Для їх збереження необхідно:

не заселяти всі чаші рибою;

зберігати ділянки без рибного тиску;

виключати інсектициди;

підтримувати підводну рослинність;

не допускати токсичних цвітінь.

11. Молюски та інші фільтратори

Місцеві двостулкові молюски здатні фільтрувати воду та зв'язувати частки фітопланктону.

Але їх не можна випускати як універсальні живі фільтри.

Необхідні:

підходяща вода;

правильне дно;

природні риби-господарі для личинок низки видів;

відсутність токсичних забруднень;

генетична відповідність водозбору;

захист від інвазивних молюсків.

Пріоритет віддається відновленню місцевих популяцій, а чи не завезенню чужорідних фільтраторів.

12. Підводні рослини як партнери водоростей

Здорове водоймище не повинно керуватися виключно фітопланктоном.

Підводні рослини:

конкурують за поживні речовини;

стабілізують донні відкладення;

створюють субстрат для перифітону;

дають укриття зоопланктону;

підтримують риб та безхребетних;

зменшують повторне змучування мулу.

Мета - створити поєднання:

фітопланктону;

перифітон;

харових водоростей;

підводних вищих рослин;

плаваючих рослин;

прибережної рослинності.

13. DREVO Algae Nursery

Для рідкісних та корисних місцевих спільнот можна створити дослідний розплідник.

Він включає:

колекцію зразків різних водозборів;

мікроскопічну лабораторію;

систему культивування;

генетичну ідентифікацію;

карантин;

невеликі експериментальні басейни;

контроль світла, температури та поживних речовин;

банк цифрових паспортів

Призначення:

вивчення місцевих видів;

відновлення стерильних штучних субстратів;

створення стартових біоплівок;

підтримка наукових проектів;

виробництво біомаси для технічних фільтрів

Матеріал з розплідника не можна випускати в природне водоймище без перевірки походження, патогенів та екологічного ризику.

14. Перенесення природного перифітону

Безпечніше переносити не концентровану водоростеву культуру, а невелику кількість зрілого місцевого перифітону.

Можлива послідовність:

вибирається здорова донорна ділянка в тому ж водозборі;

підтверджується відсутність забруднень та інвазивних видів;

відбирається мінімальна кількість каменів чи деревних пластин;

частина біоплівки переноситься на підготовлений субстрат;

донорна ділянка не ушкоджується;

розвиток відстежується мікроскопічно та хімічно;

при небажаному домінуванні експеримент припиняється.

У багатьох випадках природне заселення краще штучного перенесення.

15. Технічні водоростеві біофільтри

Для очищення сільськогосподарського чи господарського стоку можна застосовувати окремі неглибокі басейни з керованою водоростевою біомасою.

Функції:

зв'язування азоту та фосфору;

утворення кисню;

підтримка бактеріального очищення;

виробництво біомаси;

зниження навантаження на природне болото

FAO зазначає, що у керованих водоростевих ставках біомаса водоростей може пов'язувати поживні речовини та підтримувати киснем бактерії та інше водне життя.

Обов'язкова умова

Поживні речовини видаляються із системи лише тоді, коли частина водоростевої біомаси регулярно збирається.

Якщо біомаса відмирає у тому басейні, значна частина речовин повертається у воду.

16. Використання зібраної біомаси

Після лабораторного аналізу чиста біомаса з технічних басейнів може розглядатися як сировина для:

біогазу;

компостування;

біовугілля;

добрива;

одержання пігментів;

технічних біоматеріалів;

кормових досліджень;

очищення стоків.

Біомаса із забрудненої води не застосовується автоматично у сільському господарстві, оскільки може накопичувати:

важкі метали;

органічні забруднювачі;

патогени;

ціанотоксини.

17. Моніторинг

Базові параметри

Контролюються:

температура;

прозорість;

каламутність;

рН;

електропровідність;

розчинений кисень;

азот;

фосфор;

хлорофіл-a;

глибина;

швидкість течії;

органічний вуглець.

Біологічний контроль

Визначаються:

склад фітопланктону;

склад перифітону;

частка діатомей;

частка ціанобактерій;

наявність токсигенних груп;

стан харових спільнот;

зоопланктон;

водні безхребетні;

молюски;

риби;

підводна рослинність.

Токсини

При підозрі на цвітіння перевіряються:

мікроцистини;

анатоксини;

циліндроспермопсин;

саксітоксини;

інші регіонально значущі сполуки.

WHO рекомендує оцінювати ризик ціанобактерій по всій системі водокористування, включаючи виявлення, попередження та керування впливом токсинів.

18. Обсерваторія «Жива гора»

Система об'єднує:

стаціонарні зонди;

автоматичні пробовідбірники;

підводні камери;

спектральні датчики;

мікроскопічні станції;

Дрон TREVO AeroSense;

Рівер Ровер Скаут;

супутникові знімки;

метеорологічні дані;

Гірський цифровий двійник.

Дистанційні методи допомагають виявляти зміну кольору та площі цвітіння, але не замінюють лабораторне визначення видів та токсинів.

19. Спостереження за водоростями DREVO AI

Штучний інтелект аналізує:

зростання хлорофілу;

зміна прозорості;

температуру;

концентрацію поживних речовин;

кисень перед світанком;

погодні умови;

застій води;

спектральні ознаки;

результати мікроскопії;

історію попередніх цвітіння.

Система прогнозує:

ризик ціанобактеріального цвітіння;

можливий дефіцит кисню;

необхідність відбору проб;

ділянки надходження поживних речовин;

оптимальний момент видалення технічної біомаси;

необхідність тимчасового закриття водойми.

Потепління води у поєднанні з живильним забрудненням здатне посилювати частоту і тяжкість шкідливих цвітінь, тому кліматичні дані повинні входити до моделі ризику.

20. Попередження шкідливого цвітіння

Пріоритет має профілактика.

На вододілі

зменшення добрив;

точне внесення поживних речовин;

захист ґрунту від ерозії;

лісові та трав'яні буфери;

відновлення боліт;

очищення стічних вод;

контроль тваринницьких майданчиків;

недопущення прямого стоку гною.

У самому водоймищі

відновлення проточності;

усунення застійних перегрітих кишень;

підтримка підводних рослин;

видалення надлишкової технічної біомаси;

обмеження змучування дна;

керування рибою;

збереження зоопланктону;

запобігання постійному підживленню водоплавних птахів.

21. Дії під час цвітіння

Якщо вода стає:

яскраво-зеленої;

синювато-зеленої;

коричневий;

схожою на фарбу;

покривається пластівцями або плівкою;

набуває затхлий запах,

необхідно:

припинити купання та водопій тварин;

обмежити доступ людей та свійських тварин;

відібрати проби;

визначити організми та токсини;

виміряти кисень;

знайти джерело поживних речовин;

тимчасово зупинити господарське скидання;

підготувати аерацію при загрозі загибелі риби;

не руйнувати цвітіння механічно без оцінки поширення токсинів;

інформувати органи водного та санітарного контролю.

Хімічні альгіциди не повинні бути першою реакцією: руйнування клітин здатне звільнити токсини, а масове відмирання – погіршити кисневий режим. EPA розглядає фізичні та хімічні методи як заходи контролю вже виниклого цвітіння, що мають обмеження та побічні ефекти.

22. Що не можна робити

Не допускається:

удобрювати природне болото для водоростей;

вносити гній безпосередньо у водоймище;

закуповувати невідомі культури мікроводорості;

випускати види з іншого водозбору;

вирощувати спіруліну або хлорелу прямо в природній заплаві;

вважати будь-яку зелену воду ознакою продуктивності;

покладатися лише на зовнішній вигляд води;

використовувати токсичне цвітіння як добрива без аналізу;

знищувати усю водну рослинність;

заселяти всі чаші рибою;

застосовувати мідні препарати без екологічної оцінки;

повертати зібрану біомасу в ту саму водойму;

допускати худобу до мілководних біофільтраційних зон;

розміщувати водоростеве виробництво у природному ядрі.

23. Пілотна модель DREVO

Для першого пілота рекомендується не природне озеро, а контрольована окрема система.

Склад пілота

вхідний наносоуловлювач;

перший басейн осадження;

мілководний водоростевий біофільтр;

касети з каменем та деревиною;

сектор підводних рослин;

ділянку зоопланктону;

вихідний рослинний фільтр;

автоматичні датчики;

можливість повного перекриття виходу;

система збирання біомаси.

Націльте пілота

знизити азот та фосфор;

сформувати стійкий періфітон;

не допустити домінування ціанобактерій;

отримати безпечну технічну біомасу;

визначити місцеві види;

розробити режим експлуатації для різних сезонів.

24. Критерії успішності

Система працює правильно, якщо:

вода не показує токсичних цвітінь;

зберігається помірна прозорість;

кисень не падає до небезпечного рівня перед світанком;

присутні різні групи водоростей;

розвинені зоопланктон та водні безхребетні;

зберігаються підводні рослини;

не відбувається масової загибелі риби;

знижується надходження азоту та фосфору;

технічна біомаса регулярно видаляється;

природні водоймища не залежать від постійного штучного внесення культур.

Місія

Прісноводні водорості — не забруднення власними силами. Вони є першою живою ланкою, яка перетворює світло та розчинені речовини на їжу для водної екосистеми.

Але між здоровою біоплівкою та руйнівним цвітінням існує принципова різниця.

Завдання Система водоростей та перифітону DREVO Living Waters полягає в тому, щоб:

розвивати місцеві діатомеї та перифітон;

відновлювати харові та підводні луки;

підтримувати помірний фітопланктон;

пов'язувати водорості із зоопланктоном, молюсками, комахами та рибами;

знижувати надходження зайвих поживних речовин;

використовувати технічні водоростеві басейни до потрапляння стоку до природної системи;

виявляти небезпечне цвітіння до екологічної катастрофи.

Корисна не максимально зелена вода, а вода, в якій водорості займають своє місце у повноцінній та стійкій харчовій мережі.