Чтобы водоем не «цвел», надо снизить поступление в него фосфора

Слева: Дэвид Шиндлер в 1981 г. Тогда он был директором Программы ELA (Experimental Lakes Area — «Экспериментальной озерной территории»). Справа: сделанный в августе 1976 г. аэроснимок озера №226, находящегося на «Экспериментальной озерной территории». Озеро было поделено на две части пластиковой перегородкой, и в северо-восточную часть (она внизу снимка) добавляли фосфор, что вызвало «цветение воды» (массовое развитие фитопланктона). Изображение с сайта www.cbc.ca

Наверняка каждому хоть раз приходилось видеть пруд с совершенно непрозрачной, зеленого цвета водой. Про такой водоем говорят, что он «цветет». «Цветение воды» — это не что иное, как вспышка численности фитопланктона (микроскопических водорослей и цианобактерий). Чтобы понять причины возникновения подобных вспышек, необходимо разобраться в механизмах, обычно сдерживающих непомерное развитие фитопланктона. Для этого в лаборатории или непосредственно в озере проводят опыты с добавлением в среду того или иного дефицитного элемента минерального питания, прежде всего азота и фосфора. Хотя экспериментально и доказано, что процесс эвтрофирования (увеличения биологической продуктивности вод, наиболее заметным проявлением которого как раз является «цветение») возникает в результате возросшего поступления в среду элементов минерального питания, прежде всего фосфора, из этого не следует, что при сокращении притока дефицитных элементов наблюдаемые процессы пойдут в строго обратном направлении. Полного «обращения вспять» не происходит (или оно происходит с большой задержкой), поскольку в изменившихся условиях вступают в действии другие процессы, например поступление фосфора из донных отложений или усиление фиксации (связывания) атмосферного азота цианобактериями. Тем не менее, значительное сокращение поступления в водоем фосфора остается единственной эффективной мерой в борьбе с эвтрофированием.

Помимо света (источника энергии) и углерода (основного строительного материала) всем организмам фитопланктона, как водорослям, так и бактериям, нужны также элементы минерального питания («биогенные элементы»), прежде всего — азот и фосфор. Соотношение числа атомов углерода, азота и фосфора в клетках фитопланктона равно в среднем 106:16:1. На 106 атомов углерода приходится 16 атомов азота и 1 атом фосфора. Поскольку все эти элементы являются незаменимыми, очевидно, что нехватка любого из них может ограничивать рост численности фитопланктонных организмов. Впрочем, углерода, которого нужно больше всего, в воде как раз хватает, а вот азот и, особенно, фосфор нередко оказываются в дефиците, сдерживая таким образом размножение водорослей и цианобактерий.

Поступают азот и фосфор в озера прежде всего с территории водосбора. Неудивительно поэтому, что процессы, происходящие на этой территории, сказываются на состоянии экосистемы озера. Так, если на прилегающих землях начинают выращивать сельскохозяйственные культуры, требующие применения большого количества минеральных удобрений, то определенная часть этих удобрений неизбежно смывается дождями (а весной — и талыми водами) в озеро. Если рядом находится животноводческий комплекс, то его стоки также попадают в водоем. Даже простое увеличение числа людей, проживающих около озера, приводит к возрастанию поступления в водоем азота и фосфора — они ведь присутствуют в конечных продуктах обмена веществ нашего организма (как и в продуктах обмена домашних животных), причем в форме, пригодной для усвоения водорослями и бактериями.

Одно из озер «Экспериментальной озёрной территории» в Канаде (провинция Онтарио), где проводились исследования процессов эвтрофирования. Фотография Paul Frost с сайта www.openfile.ca

В ответ на повышение стока в озеро азота и фосфора увеличивается продукция фитопланктона, то есть скорость нарастания его массы. Планктонные животные, например дафнии, в такой ситуации увеличивают потребление фитопланктона, но возможности их в сдерживании роста водорослей и бактерий в общем ограниченны. При отсутствии лимитирования «снизу» (элементами минерального питания) фитопланктон быстро выходит из-под контроля «сверху» (пресса поедающего его зоопланктона) и достигает таких концентраций, при которых резко уменьшается прозрачность воды, а ограничивающим фактором становится нехватка света (эффект самозатенения).

Масса отмершего фитопланктона опускается в более глубокие слои водной толщи, а развивающиеся здесь бактерии перерабатывают для своих нужд свалившуюся на них кучу органического вещества, расходуя при этом порой весь имеющийся в окружающей среде кислород. В создавшихся условиях резкого дефицита кислорода скорость дальнейшего разложения органического вещества бактериями резко замедляется. Взвешенные частицы детрита (состоящего главным образом из отмерших клеток фитопланктона и фекалий планктонных животных) опускаются вниз и образуют слои донных отложений. Кислород на дне и в придонных слоях водной толщи отсутствует. Соответственно, обитать там могут только анаэробные бактерии. Но дефицит кислорода, приводящий к гибели рыб (так называемым «заморам») может наблюдаться в подобных водоемах и в верхних слоях воды. Происходит это ночью, когда фотосинтез фитопланктона прекращается, а кислород очень активно потребляется при дыхании как самих фитопланктонных организмов, так и бактерий, разлагающих мертвое органическое вещество.

Совокупность описанных выше процессов и есть то, что называют «эвтрофированием» (или «эвтрофикацией» — оба термина употребляются в русской литературе). Иногда эвтрофирование возникает в силу естественных причин, например при близости больших колоний птиц (птичьих базаров) или при выпадении вулканического пепла. Однако в большинстве случаев оно связано с хозяйственной деятельностью человека. Возможности использования сильно эвтрофированных водоемов весьма ограниченны. Вода из них не годится для питья, да и многих других хозяйственных нужд. Спортивное рыболовство невозможно, поскольку при ухудшении кислородного режима исчезают ценные в промысловом отношении виды рыб, прежде всего представители лососевых и сиговых. Купальщиков эвтрофные водоемы также не привлекают, тем более что среди цианобактерий, вызывающих «цветение воды», попадаются штаммы, вырабатывающие токсины. Бороться с эвтрофированием чрезвычайно сложно. Источников поступления в водоем азота и фосфора (в минеральной форме, пригодной для использования фитопланктоном) множество, они носят диффузный (рассеянный) характер и неизбежно возникают при росте численности населения и необходимости увеличивать производство продуктов питания.

Зависимость биомассы фитопланктона (оцененной по содержанию хлорофилла) от общего количества фосфора в разных озерах, находящихся на «Экспериментальной озерной территории» (Канада, Онтарио). Из книги Стэнли Додсона (Stanley Dodson) «Introduction to Limnology», 2005. Данные заимствованы из работы Дэвида Шиндлера Evolution of Phosphorus Limitation in Lakes // Science, 1977. V. 195. Pp. 260–262

Изучение процессов эвтрофирования ведется давно и очень интенсивно. Уже в 1970‑е годы трудами исследователей разных стран было показано, что уровень развития фитопланктона в том или ином озере непосредственно зависит от количества поступающего в водоем фосфора. Стоки азота также имеют значение, но только при наличии фосфора. Кроме того, некоторые цианобактерии являются «диазотрофами», то есть способны связывать молекулярный азот атмосферы (N₂). Ряд важных работ по эвтрофированию был выполнен в 1970–80 гг. в Канаде (провинция Онтарио), в рамках проекта, получившего название «Экспериментальная озерная территория» (Experimental Lakes Area). Недавно профессор Дэвид Шиндлер (David Schindler), долгое время руководивший данным проектом, опубликовал обзорную статью, подводящую итоги изучения процесса эвтрофирования и попыток возвращения эвтрофированных озер в исходное состояние (процесса, называемого иногда «олиготрофизацией»).

Проблема эта имеет огромную практическую значимость. В частности, некоторые авторы предполагают, что введение жестких мер, направленных на ограничение стока в водоемы фосфора, само по себе недостаточно. Необходимо ограничить также стоки азота. Однако введение контроля за двумя элементами оказывается очень дорогим. Так, комиссия Евросоюза оценивает стоимость мер по ограничению сброса в Балтийское море азота и фосфора в 3,1 млрд евро. Но если ограничиться только фосфором, то стоимость мер снижается в 10 раз — до 0,21–0,43 млрд евро.

Динамика различных показателей состояния озера №261 на «Экспериментальной территории» за двадцатилетний период. Широкой голубой полосой показан период, когда озеро интенсивно удобряли фосфором. На отдельных графиках приведены изменения в содержании: (a) TN — общего азота; (b) NO₃ — нитратов; (c) TP — общего фосфора; (d) Chlorophyll a — хлорофилла a. Все величины в микрограммах на литр. Подобные графики приведены и для ряда других озер. Изображение из обсуждаемой статьи в Proc. R. Soc. B.

Проанализировав множество работ, Шиндлер в обсуждаемом обзоре приходит к выводу, что решающим фактором, определяющим эвтрофирование, является всё же поступление фосфора. Поэтому снижение именно фосфорной нагрузки является самым многообещающим методом борьбы с эвтрофированием. Однако процесс «олиготрофизации», то есть обращения вспять процесса эвтрофирования, сам по себе может быть очень непростым. Вся логика предыдущих исследований основывалась на экспериментах по добавлению дефицитных элементов в среду, содержащую фитопланктон. При этом молчаливо допускалось, что изъятие из стоков этих элементов автоматически запустит цепь процессов, обратных тому, что происходило при эвтрофировании. Но выяснилось, что это не так. Обратная реакция могла быть иной из-за эффекта гистерезиса (см. также hysteresis) — зависимости системы не только от текущего состояния среды, но и от прошлого, или, иначе, из-за неодинаковости траекторий между крайними состояниями системы.

Так, если в водоем долгое время сбрасывается большое количество фосфора, значительная его часть попадает на дно, а после того, как сброс фосфора извне прекращается, начинается активное высвобождение его из донных отложений. При уменьшении сброса азота активизируется азотфиксация — связывание атмосферного азота «диазотрофами», представленными в водоемах цианобактериями.

Шиндлер подчеркивает, что хотя лабораторные эксперименты дают гораздо более точные и легче интерпретируемые результаты, но только крупномасштабные опыты с целыми озерами могут служить надежной основой для разработки мер по предотвращению эвтрофирования или восстановлению прежнего статуса сильно эвтрофированных озер.

Источник: David W. Schindler. The dilemma of controlling cultural eutrophication of lakes // Proc. R. Soc. B. 2012. Published online before print August 22, 2012. (Вся статья находится в свободном доступе).

См. также:
1) Биологическую продуктивность небольших озер ограничивает недостаток света, «Элементы», 22.08.2009.
2) Прожить в озере, не питаясь едой с суши, нельзя, «Элементы», 19.05.2006.

Алексей Гиляров