Развитие полезных пресноводных водорослей

Развитие полезных пресноводных водорослей

DREVO Living Waters Algae & Periphyton System

Концепция

В системе DREVO Living Mountains пресноводные водоросли рассматриваются как один из базовых уровней жизни рек, ручьёв, болот, пойменных озёр и восстановленных водоёмов.

Они способны:

преобразовывать солнечную энергию в органическое вещество;

формировать основу водной пищевой сети;

служить кормом для зоопланктона, моллюсков, личинок насекомых и рыб;

выделять кислород в светлое время суток;

связывать часть растворённых питательных веществ;

создавать биоплёнки на камнях, древесине и растениях;

поддерживать самоочищение воды;

участвовать в формировании донных отложений;

служить индикаторами качества воды.

Однако полезными водоросли остаются только при сбалансированной плотности. Чрезмерный рост фитопланктона и цианобактерий способен вызвать токсичное цветение, падение прозрачности и дефицит кислорода. Некоторые пресноводные цианобактерии производят микроцистины, анатоксины, цилиндроспермопсин и другие опасные вещества.

Главный принцип:

Задача проекта — не удобрять воду ради быстрого роста водорослей, а создавать условия для устойчивого разнообразия местных водных производителей.

1. Что считать полезными водорослями

Полезность определяется не только названием вида, но и его функцией, численностью и местом развития.

Бентосные микроводоросли

Живут:

на камнях;

на гравии;

на древесине;

на донных отложениях;

на стеблях водных растений.

Они входят в состав перифитона — сложной биоплёнки из водорослей, бактерий, грибов, простейших и органического материала.

Перифитон:

является пищей для водных беспозвоночных;

связывает растворённые вещества;

насыщает микрозону кислородом;

участвует в самоочищении;

быстро реагирует на изменение качества воды.

Одновременно перифитон способен накапливать загрязнители и передавать их по пищевой цепи, поэтому его нельзя искусственно развивать в загрязнённой воде без анализа донных отложений.

Диатомовые водоросли

Диатомеи особенно важны в:

чистых ручьях;

реках;

родниковых водоёмах;

мелководьях с каменным и гравийным дном;

холодных и умеренных водах.

Они образуют тонкие плёнки на субстрате и служат кормом для:

улиток;

личинок подёнок;

ручейников;

ракообразных;

молоди рыб.

Их разнообразие часто используется для оценки экологического состояния водотоков.

Зелёные микроводоросли

В умеренной концентрации поддерживают:

зоопланктон;

мальков;

фильтрующих животных;

естественную продуктивность прудов и пойменных водоёмов.

Но плотный зелёный фитопланктон нельзя считать автоматически полезным: чрезмерная биомасса также может привести к ночному и посмертному дефициту кислорода.

Харовые водоросли

Харовые — крупные донные водоросли, напоминающие высшие водные растения.

Они могут:

формировать подводные луга;

стабилизировать осадки;

создавать укрытия для беспозвоночных и молоди рыб;

поддерживать прозрачную воду;

конкурировать с избыточным фитопланктоном за питательные вещества.

Их восстановление особенно перспективно в:

чистых озёрах;

прозрачных старицах;

неглубоких известковых водоёмах;

защищённых пойменных чашах.

Применяются только местные виды и материал из того же водосбора.

Местные нитчатые зелёные водоросли

В небольшом количестве они:

создают укрытия;

дают субстрат беспозвоночным;

участвуют в первичной продукции.

При массовом развитии они:

покрывают дно плотными матами;

задерживают мусор;

мешают течению;

вызывают сильные суточные колебания кислорода;

ухудшают нерестилища.

Поэтому нитчатые формы являются не целевой культурой, а контролируемой частью сообщества.

2. Цианобактерии: необходимая группа, но не целевой объект выращивания

Цианобактерии часто называют сине-зелёными водорослями, хотя биологически это фотосинтезирующие бактерии.

В природной экосистеме они участвуют:

в первичной продукции;

в круговороте азота;

в формировании биоплёнок;

в питании отдельных организмов.

Но искусственно стимулировать их массовое развитие нельзя.

Опасность представляют роды и группы, способные формировать плотные или токсичные цветения, в том числе:

Microcystis;

Dolichospermum;

Aphanizomenon;

Planktothrix;

Raphidiopsis;

отдельные донные цианобактерии.

По внешнему виду невозможно надёжно определить токсичность цветения, поэтому подозрительные скопления требуют анализа воды и биомассы.

3. Экологическая цель

Проект должен стремиться не к максимальной массе водорослей, а к следующему состоянию:

высокая видовая и функциональная разнообразность;

тонкий устойчивый перифитон;

прозрачная или умеренно прозрачная вода;

отсутствие плотной поверхностной плёнки;

стабильный кислородный режим;

наличие подводных растений;

умеренный фитопланктон;

развитый зоопланктон;

присутствие моллюсков и водных насекомых;

отсутствие доминирования токсичных цианобактерий.

4. Основные зоны развития

Родники и верхние ручьи

Приоритет получают:

диатомовые сообщества;

тонкий перифитон;

водные мхи;

биоплёнки на камне и древесине.

Необходимо:

сохранять прохладную воду;

поддерживать затенение;

не вносить удобрения;

не заиливать гравий;

защищать источник от скота.

Горные и средние ручьи

Создаются разные субстраты:

валуны;

галька;

гравий;

древесина;

спокойные боковые карманы;

участки умеренного течения.

Это формирует разные сообщества водорослей и беспозвоночных.

Пойменные озёра и старицы

Приоритет:

умеренный фитопланктон;

харовые водоросли;

подводные растения;

перифитон на растительности;

развитый зоопланктон.

Необходима связь с поймой, но без постоянного поступления удобрений и навоза.

Болота

В болотах водоросли развиваются:

в мелководных окнах;

на сфагнуме;

на осоках;

в сезонных чашах;

на древесине;

в небольших протоках.

Не следует превращать природное болото в высокопродуктивный водорослевый пруд.

Искусственные биофильтрационные водоёмы

Здесь возможно контролируемое развитие водорослевых биоплёнок для:

захвата питательных веществ;

предварительной очистки стока;

производства технической биомассы;

питания зоопланктона.

Такие бассейны должны быть отделены от природного ядра и иметь возможность сбора биомассы.

5. Создание подходящего субстрата

Для развития полезного перифитона создаются поверхности разной структуры.

Каменный субстрат

Используются:

местные валуны;

галька;

крупный гравий;

плоские камни.

Камни создают:

освещённые поверхности;

теневые стороны;

зоны разной скорости течения;

укрытия для беспозвоночных.

Древесный субстрат

Применяются:

погружённые ветви;

корневые системы;

устойчиво закреплённые стволы;

древесные решётки.

Древесина поддерживает:

водоросли;

грибы;

бактерии;

личинок насекомых;

моллюсков.

Используется чистая необработанная древесина местных пород.

Растительный субстрат

Подводные и прибрежные растения дают большую площадь для перифитона.

Особенно ценны:

погружённые листья;

стебли осок и ситников;

корневые системы;

подводные луга.

Пористые минеральные модули

В технических биофильтрах можно использовать:

пористую керамику;

природную пемзу;

лавовый камень;

цеолитовые носители;

минеральные сетчатые кассеты.

В природном водоёме искусственные модули применяются ограниченно, чтобы не заменять естественный субстрат технической конструкцией.

6. Световой режим

Разные водоросли требуют разного освещения.

Для формирования разнообразия необходима мозаика:

солнечных мелководий;

полутени;

затенённых берегов;

открытых водных окон;

участков под древесиной;

более глубоких зон.

Полное удаление береговых деревьев приводит к перегреву и может усиливать нежелательный рост водорослей.

Полное затенение, напротив, подавляет первичную продукцию.

Поэтому сохраняется чередование открытых и затенённых участков.

7. Управление питательными веществами

Главный источник опасного цветения — не отсутствие «полезных водорослей», а избыток доступных питательных веществ, прежде всего азота и фосфора.

Источники:

сельскохозяйственный сток;

минеральные удобрения;

навоз;

бытовые стоки;

рыбоводство;

эрозия плодородной почвы;

загрязнённые донные отложения;

ливневая канализация.

EPA указывает, что наиболее эффективная профилактика цветений заключается в снижении поступления азота и фосфора из точечных и рассредоточенных источников.

Меры DREVO

буферные полосы;

влажные луга;

фильтрационные болота;

наносоуловители;

раздельный сбор навоза;

закрытые поилки;

восстановление поймы;

снижение эрозии склонов;

очистка бытовых стоков;

ограничение фосфатных сбросов;

контроль аквакультуры;

удаление избыточной биомассы из технических бассейнов.

8. Почему нельзя просто удобрять природный водоём

В рыбоводных прудах удобрение иногда используют для повышения количества фитопланктона как естественного корма. FAO описывает такой подход для управляемых производственных прудов.

Но этот метод нельзя автоматически переносить на:

природные озёра;

реки;

болота;

родники;

питьевые водоёмы;

охраняемые поймы.

Результатом могут стать:

цианобактериальное цветение;

ночное падение кислорода;

гибель рыбы;

накопление токсинов;

исчезновение подводных растений;

замена разнообразного сообщества несколькими доминирующими видами.

9. Кислородный режим

Водоросли выделяют кислород при свете, но одновременно дышат.

Ночью фотосинтез прекращается, а потребление кислорода продолжается.

После массового отмирания водорослей бактерии разлагают биомассу и дополнительно расходуют кислород. Поэтому дневное высокое значение кислорода ещё не означает благополучия.

Контролируются:

кислород перед рассветом;

кислород днём;

суточная амплитуда;

температура;

глубина;

скорость течения;

органическая нагрузка.

Наиболее опасный момент часто наступает перед рассветом и после распада цветения.

10. Поддержка зоопланктона

Полезный фитопланктон должен быть включён в пищевую сеть.

Необходимы:

коловратки;

ветвистоусые ракообразные;

веслоногие ракообразные;

другие местные фильтраторы.

Они:

потребляют микроводоросли;

поддерживают прозрачность;

служат кормом малькам;

перераспределяют питательные вещества.

Для их сохранения необходимо:

не заселять все чаши рыбой;

сохранять участки без рыбного давления;

исключать инсектициды;

поддерживать подводную растительность;

не допускать токсичных цветений.

11. Моллюски и другие фильтраторы

Местные двустворчатые моллюски способны фильтровать воду и связывать частицы фитопланктона.

Но их нельзя выпускать как универсальные «живые фильтры».

Необходимы:

подходящая вода;

правильное дно;

естественные рыбы-хозяева для личинок ряда видов;

отсутствие токсичных загрязнений;

генетическое соответствие водосбору;

защита от инвазивных моллюсков.

Приоритет отдаётся восстановлению местных популяций, а не завозу чужеродных фильтраторов.

12. Подводные растения как партнёры водорослей

Здоровый водоём не должен управляться исключительно фитопланктоном.

Подводные растения:

конкурируют за питательные вещества;

стабилизируют донные отложения;

создают субстрат для перифитона;

дают укрытие зоопланктону;

поддерживают рыб и беспозвоночных;

уменьшают повторное взмучивание ила.

Цель — создать сочетание:

фитопланктона;

перифитона;

харовых водорослей;

подводных высших растений;

плавающих растений;

прибрежной растительности.

13. DREVO Algae Nursery

Для редких и полезных местных сообществ можно создать исследовательский питомник.

Он включает:

коллекцию образцов разных водосборов;

микроскопическую лабораторию;

систему культивирования;

генетическую идентификацию;

карантин;

небольшие экспериментальные бассейны;

контроль света, температуры и питательных веществ;

банк цифровых паспортов.

Назначение:

изучение местных видов;

восстановление стерильных искусственных субстратов;

создание стартовых биоплёнок;

поддержка научных проектов;

производство биомассы для технических фильтров.

Материал из питомника нельзя выпускать в природный водоём без проверки происхождения, патогенов и экологического риска.

14. Перенос природного перифитона

Безопаснее переносить не концентрированную водорослевую культуру, а небольшое количество зрелого местного перифитона.

Возможная последовательность:

выбирается здоровый донорный участок в том же водосборе;

подтверждается отсутствие загрязнений и инвазивных видов;

отбирается минимальное количество камней или древесных пластин;

часть биоплёнки переносится на подготовленный субстрат;

донорный участок не повреждается;

развитие отслеживается микроскопически и химически;

при нежелательном доминировании эксперимент прекращается.

Во многих случаях естественное заселение предпочтительнее искусственного переноса.

15. Технические водорослевые биофильтры

Для очистки сельскохозяйственного или хозяйственного стока можно применять отдельные неглубокие бассейны с управляемой водорослевой биомассой.

Функции:

связывание азота и фосфора;

образование кислорода;

поддержка бактериальной очистки;

производство биомассы;

снижение нагрузки на природное болото.

FAO отмечает, что в управляемых водорослевых прудах биомасса водорослей может связывать питательные вещества и поддерживать кислородом бактерии и другую водную жизнь.

Обязательное условие

Питательные вещества удаляются из системы только тогда, когда часть водорослевой биомассы регулярно собирается.

Если биомасса отмирает в том же бассейне, значительная часть веществ возвращается в воду.

16. Использование собранной биомассы

После лабораторного анализа чистая биомасса из технических бассейнов может рассматриваться как сырьё для:

биогаза;

компостирования;

биоугля;

удобрения;

получения пигментов;

технических биоматериалов;

кормовых исследований;

очистки стоков.

Биомасса из загрязнённой воды не применяется автоматически в сельском хозяйстве, поскольку может накапливать:

тяжёлые металлы;

органические загрязнители;

патогены;

цианотоксины.

17. Мониторинг

Базовые параметры

Контролируются:

температура;

прозрачность;

мутность;

pH;

электропроводность;

растворённый кислород;

азот;

фосфор;

хлорофилл-a;

глубина;

скорость течения;

органический углерод.

Биологический контроль

Определяются:

состав фитопланктона;

состав перифитона;

доля диатомей;

доля цианобактерий;

наличие токсигенных групп;

состояние харовых сообществ;

зоопланктон;

водные беспозвоночные;

моллюски;

рыбы;

подводная растительность.

Токсины

При подозрении на цветение проверяются:

микроцистины;

анатоксины;

цилиндроспермопсин;

сакситоксины;

другие регионально значимые соединения.

WHO рекомендует оценивать риск цианобактерий по всей системе водопользования, включая обнаружение, предупреждение и управление воздействием токсинов.

18. Living Mountain Observatory

Система объединяет:

стационарные зонды;

автоматические пробоотборники;

подводные камеры;

спектральные датчики;

микроскопические станции;

DREVO AeroSense Drone;

River Rover Scout;

спутниковые снимки;

метеорологические данные;

Mountain Digital Twin.

Дистанционные методы помогают обнаруживать изменение цвета и площади цветения, но не заменяют лабораторное определение видов и токсинов.

19. DREVO AI Algae Watch

Искусственный интеллект анализирует:

рост хлорофилла;

изменение прозрачности;

температуру;

концентрацию питательных веществ;

кислород перед рассветом;

погодные условия;

застой воды;

спектральные признаки;

результаты микроскопии;

историю предыдущих цветений.

Система прогнозирует:

риск цианобактериального цветения;

вероятный дефицит кислорода;

необходимость отбора проб;

участки поступления питательных веществ;

оптимальный момент удаления технической биомассы;

необходимость временного закрытия водоёма.

Потепление воды в сочетании с питательным загрязнением способно усиливать частоту и тяжесть вредоносных цветений, поэтому климатические данные должны входить в модель риска.

20. Предупреждение вредного цветения

Приоритет имеет профилактика.

На водосборе

уменьшение удобрений;

точное внесение питательных веществ;

защита почвы от эрозии;

лесные и травяные буферы;

восстановление болот;

очистка сточных вод;

контроль животноводческих площадок;

недопущение прямого стока навоза.

В самом водоёме

восстановление проточности;

устранение застойных перегретых карманов;

поддержка подводных растений;

удаление избыточной технической биомассы;

ограничение взмучивания дна;

управление рыбой;

сохранение зоопланктона;

предотвращение постоянной подкормки водоплавающих птиц.

21. Действия при цветении

Если вода становится:

ярко-зелёной;

синевато-зелёной;

коричневой;

похожей на краску;

покрывается хлопьями или плёнкой;

приобретает затхлый запах,

необходимо:

прекратить купание и водопой животных;

ограничить доступ людей и домашних животных;

отобрать пробы;

определить организмы и токсины;

измерить кислород;

найти источник питательных веществ;

временно остановить хозяйственный сброс;

подготовить аэрацию при угрозе гибели рыбы;

не разрушать цветение механически без оценки распространения токсинов;

информировать органы водного и санитарного контроля.

Химические альгициды не должны быть первой реакцией: разрушение клеток способно высвободить токсины, а массовое отмирание — ухудшить кислородный режим. EPA рассматривает физические и химические методы как меры контроля уже возникшего цветения, имеющие ограничения и побочные эффекты.

22. Что нельзя делать

Не допускается:

удобрять природное болото ради водорослей;

вносить навоз непосредственно в водоём;

закупать неизвестные культуры микроводорослей;

выпускать виды из другого водосбора;

выращивать спирулину или хлореллу прямо в природной пойме;

считать любую зелёную воду признаком продуктивности;

полагаться только на внешний вид воды;

использовать токсичное цветение как удобрение без анализа;

уничтожать всю водную растительность;

заселять все чаши рыбой;

применять медные препараты без экологической оценки;

возвращать собранную биомассу в тот же водоём;

допускать скот к мелководным биофильтрационным зонам;

размещать водорослевое производство в природном ядре.

23. Пилотная модель DREVO

Для первого пилота рекомендуется не природное озеро, а отдельная контролируемая система.

Состав пилота

входной наносоуловитель;

первый бассейн осаждения;

мелководный водорослевый биофильтр;

кассеты с камнем и древесиной;

сектор подводных растений;

участок зоопланктона;

выходной растительный фильтр;

автоматические датчики;

возможность полного перекрытия выхода;

система сбора биомассы.

Цели пилота

снизить азот и фосфор;

сформировать устойчивый перифитон;

не допустить доминирования цианобактерий;

получить безопасную техническую биомассу;

определить местные виды;

разработать режим эксплуатации для разных сезонов.

24. Критерии успешности

Система работает правильно, если:

вода не демонстрирует токсичных цветений;

сохраняется умеренная прозрачность;

кислород не падает до опасного уровня перед рассветом;

присутствуют разные группы водорослей;

развиты зоопланктон и водные беспозвоночные;

сохраняются подводные растения;

не происходит массовой гибели рыбы;

снижается поступление азота и фосфора;

техническая биомасса регулярно удаляется;

природные водоёмы не зависят от постоянного искусственного внесения культур.

Миссия

Пресноводные водоросли — не загрязнение сами по себе. Они являются первым живым звеном, которое превращает свет и растворённые вещества в пищу для водной экосистемы.

Но между здоровой биоплёнкой и разрушительным цветением существует принципиальная разница.

Задача DREVO Living Waters Algae & Periphyton System заключается в том, чтобы:

развивать местные диатомеи и перифитон;

восстанавливать харовые и подводные луга;

поддерживать умеренный фитопланктон;

связывать водоросли с зоопланктоном, моллюсками, насекомыми и рыбами;

снижать поступление лишних питательных веществ;

использовать технические водорослевые бассейны до попадания стока в природную систему;

обнаруживать опасное цветение до экологической катастрофы.

Полезна не максимально зелёная вода, а вода, в которой водоросли занимают своё место в полноценной и устойчивой пищевой сети.