Введение
В наш век вода приобрела особое значение как промышленное сырье, нередко дефицитное и дорогое. Основная ее масса идет на промышленные и бытовые нужды, используется на растворение, смешивание, очищение и другие технологические процессы. Нет такой отрасли, где бы ни использовали воду. Население, промышленность, энергетика, сельское, рыбное хозяйство и другие отрасли используют воду в качестве сырья, охладителя или среды. Большая часть пресной воды идет на производство энергии и охлаждение.
Особенно велика роль воды геологического преобразования нашей планеты. Без воды Земля представляла бы голый каменный шар, лишенный атмосферы и почвы. Климат и погода на Земле во многом определяются наличием водных пространств. Особенно велика роль пресной воды. На протяжении последнего столетия изучение жизни пресноводных водоемов, превращение органических и минеральных веществ, образуемых в самом водоеме и привносимых извне, велось довольно интенсивно. Все возрастающие техногенные и антропогенные нагрузки сильно изменяют биологические круговороты, в результате ухудшается качество питьевой воды и, даже, может меняться трофический статус водоемов.
Экосистемы озер представляют собой сложные экологические системы, которые создавались в течение длительного времени. Особенно это касается крупнейших и древних рифтовых озер мира, какими являются Байкал и Ньяса. В озерах непрерывно протекает эволюционный процесс как развития биоты, так и изменения морфометрии самих озер. Несмотря на влияние антропогенных, в том числе и техногенных факторов на экосистемы, физико - химические характеристики озер и биологические параметры должны находиться в состоянии равновесия за счет буферной емкости экосистемы в целом. Значительные нарушения в состоянии равновесия могут привести к
необратимым последствиям. Поэтому необходимо представлять ассимилирующую способность экосистемы водоема.
Изучение особенностей трансформации веществ в экосистеме озер, а также перенос техногенных загрязнений, определяющих особенности антропогенного эфтрофирования озер при разнообразии термодинамических процессов, является одной из важнейших задач в решении проблем, стоящих перед охраной окружающей среды и рациональном природопользовании. Причем, микроорганизмы обеспечивают круговороты всех элементов в водной экосистеме и осуществляют энергетическую взаимосвязь. При изучении гидрофизических и химико-биологических, а также микробиологических процессов в озере в настоящее время все чаще используются математические модели. Они дают возможность изучение переноса вещества в водной экосистеме, в том числе и антропогенной природы.
Рассматриваемые нами глубокие пресноводные озера Байкал и Ньяса, к сожалению, не являются исключением, антропогенное воздействие на их экосистемы усиливаются с каждым годом. Эти озера являются не только уникальным хранилищем пресной воды, но и эндемичных видов флоры и фауны, уникальными природными и культурными памятниками. Назрела сложная задача: обобщить и систематизировать многолетние результаты исследований на Байкале, которые, так или иначе, имеют отношение к проблеме научно - обоснованного рационального использования ресурсов озера как источника пресной высококачественной питьевой воды. На оз. Ньяса исследований микроорганизмов в водной толще и донных осадках до настоящей работы не проводилось, что ясно из обзоров по лимнологии оз. Ньяса (Eccles, 1974), а также аннотированного указателя работ, подготовленного Королевским Бельгийским Институтом естественных наук и Музеем Центральной Африки (Бельгия, 1992).
Актуальность. Проблема сохранения жизнеобеспечивающих ресурсов становится все более значимым фактором. В настоящее время, в связи с техногенным загрязнением окружающей среды, пресная вода становится одним из важнейших и трудновозобновляемых природных ресурсов. Для ряда регионов мира сохранение и дефицит этого ресурса проявляется уже в настоящее время. В мире быстрыми темпами надвигается водный кризис. Поэтому исключительно важное значение имеет выявление природных и антропогенных факторов, влияющих на механизм формирования качества пресных вод и факторов, определяющих эти процессы, а также прогноз развития опасных природных и техногенных процессов. Антропогенное вмешательство в экосистемы крупнейших поверхностных водоемов связано с возможностью необратимых последствий для ныне живущих и будущих поколений, что находится в противоречии с устойчивым экономическим развитием.
Управление водными экосистемами качественно отличается от управления, способа действия и принятия решений в социальных и технических системах. Биотические и абиотические факторы, влияющие на формирование качества воды в экосистеме глубоких рифтовых озер Байкал (Россия) и Ньяса (Восточная Африка), не зависят от социально- технического управления экосистемами озер. Понимание того, что дальнейшее экономическое развитие может привести к необратимым последствиям в окружающей среде, где человек сам является частью экологической системы, заставляет шире проводить различные мероприятия по охране природных ресурсов и принятию решений по их рациональному использованию.
Современное состояние проблемы заключается в оценке антропогенного воздействия на качество воды на начальной наиболее быстро релаксирующей части трофической цепи - микроорганизмах, это перспективно и общественно значимо поскольку позволяет оперативно выявлять нарушения и принимать управленческие решения по регулированию интенсивности всех
видов человеческой деятельности на геоэкосистемы исследуемых озер. Проблема антропогенного влияния на окружающую среду в Российской Федерации, где в настоящее время проходят процессы коренной перестройки социально- экономических отношений, стоят достаточно остро. Озеро Байкал является основным источником пресной питьевой воды в регионе и в прилегающих областях. Формирование качества воды реки Ангары, снабжающей питьевой водой все крупные промышленные города и поселки в регионе, определяется качеством воды Байкала. Антропогенное влияние на озеро усиливается с каждым годом, особенно в его южной части. Это обусловлено не только относительно высокой плотностью проживающего здесь населения, но и интенсивным развитием в этом районе отечественного и международного туризма, строительством объектов социально-культурного назначения, частных гостиниц, бань, саун, дачных поселков. Проблема контроля качества воды всегда привлекала усиленное внимание государственных органов и специалистов, ответственных за охрану здоровья населения и защиту окружающей среды. Особенно это касалось озера Байкал - участка мирового природного наследия.
В работе применен оригинальный способ исследования антропогенной изменчивости качества природных поверхностных вод путем сравнения двух глубоких рифтовых озер мира: Байкала и Ньясы. В результате техногенного воздействия на экосистему Байкала после строительства ГЭС в 1958 году, озеро стало практически изолированным регулируемым водохранилищем каскада Ангарских водохранилищ. Озеро Ньяса, до сих пор, не подвержено существенной техногенной нагрузке. Радикальным решением явилось выявление общих закономерностей развития геоэкосистем озер, расположенных в различных климатических зонах. Экосистемы рассматриваемых озер достаточно изучены в части конкретных их составляющих. Однако этого нельзя сказать об общей структуре столь важных источников пресной питьевой воды.
Цель работы заключается в выявлении общих закономерностей и механизмов, обеспечивающих динамику микробиологических и гидрохимических процессов, определяющих формирование качества воды крупнейших рифтовых озер мира, влияние природных и антропогенных факторов, а также в разработке научно- практических основ прогнозирования состояния геоэкосистем озер. В создании и внедрении нового эколого -биотехнологического метода ранней диагностики антропогенного влияния на качество воды и применение полученных результатов в промышленности. Основные задачи:
1. Исследовать условия формирования качества вод по микробиологическим и гидрохимическим показателям и выделить основные внешние и внутренние факторы, влияющие на качество воды крупнейших рифтовых озер мира — Байкала и Ньясы.
2. Выявить роль и динамику процессов азотфиксации и денитрификации в водной толще и донных осадках озер, механизм их влияния на формирование качества воды и значение в круговороте и общем балансе азота в геоэкосистемах исследуемых озер.
3. Выделить основной элемент, лимитирующий продуктивность органического вещества в пелагиали рассматриваемых озер и влияющий на качество воды, построить модель, описывающую эти процессы.
4. Рассчитать баланс общего азота в озере Байкал.
5. Предложить математическую модель вычисления скоростей осадконакопления. Изучить возможность использования микробиологических характеристик донных отложений рифтовых озер в раннем диагенезе как индикатора изменчивости глобальных и антропогенных изменений природной среды и климата на континентах.
6. Разработать математическую модель, описывающую влияние мелкомасштабной турбулентности на формирование пространственных неоднородностей компонентов экосистем исследуемых озер.
7. Создать алгоритм степени устойчивости геоэкосистем глубоководных озер по микробиологическим показателям, что позволит выявить риск воздействия на озера, являющиеся крупнейшими резервуарами пресной питьевой воды.
8. Разработать и дать рекомендации на внедрение научно обоснованных экологических мониторинговых наблюдений за качеством воды глубоких рифтовых озер.
9. Разработать методику контроля состояния экосистем озер по изменению качественного состава бактерий на молекулярном уровне на самой начальной стадии антропогенного влияния.
Ю.Выделить новые штаммы микроорганизмов из пресноводной микрофлоры и рассмотреть возможность их использования в биотехнологии для получения ферментов рестриктаз в промышленности.
Основная научная идея диссертационной работы заключается в разработке научно-практических основ выявления факторов, влияющих на механизм и условия формирования качества воды глубоких рифтовых озер, а также в рациональном природопользовании. Она охватывает проблематику, лежащую на границе между биологической лимнологией и инженерным управлением водоемами. Научная новизна:
1. Рассмотрены закономерности механизмов и факторов формирования качества воды крупнейших рифтовых озер мира Байкала и Ньясы, находящихся в различных климатических условиях. Это позволило
ю
выявить, что закономерности механизма формирования качества воды подобны и температурный фактор не является определяющим.
2. Впервые проведены микробиологические исследования на озере Ньяса, которое является основным источником пресной воды в регионе, страдающем от нехватки питьевой воды. Выявлено, что по гидрохимическим и микробиологическим показателям вода озера Ньяса относится к предельно - чистым водам и может быть использована в качестве питьевой.
3. Разработан и реализован новый эколого - биотехнологический подход к оценке антропогенного влияния на олиготрофные водоемы. В районах антропогенных влияний выявлены новые штаммы бактерий, обладающие редкими и уникальными ферментами рестрикции, которые используются в биотехнологических разработках.
4. На основе разработанной методики, в районах антропогенного воздействия (район БЦБК на Байкале и устье реки Итунга-Ньяса) впервые обнаружено снижение качества воды. Наблюдается повышенное количество бактерий, распределение которых носит пятнистый, неравномерный характер (пэтчинг), возникающий вследствие интенсивной турбулентной диффузии.
5. Для олиготрофных водоемов применен и модифицирован ацетиленовый метод для исследования процессов азотфиксации и денитрификации. В озерах Байкал и Ньяса эти процессы исследованы впервые. Установлен эффект их влияния на качество воды.
6. Предложена двухзонная модель глубокого озера (глубина > 500 м), при помощи которой объясняется механизм вертикальной диффузии вод и гидродинамическое лимитирование по азоту.
7. Предложена и реализована модель, позволяющая вычислить скорость осадконакопления (по распределению бактерий и концентрациям
п
органических форм углерода и азота озерах ) и влияние глобального переноса на качество воды.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что разработанные новые методы и модели могут быть использованы и уже используются для решения различных научно- исследовательских и практических задач специалистами различных направлений, руководителями федеральных, областных, районных и городских организаций, а также научно-производственными предприятиями для принятия решений по рациональному природопользованию озер в целях улучшения геоэкологической обстановки.
Созданная модель степени устойчивости геоэкосистем рифтовых озер и предложенная модель описания пространственных неоднородностей экосистем рифтовых озер, используются Ангаро - Байкальским Бассейновым Водным Управлением при рассмотрении «Норм допустимых воздействий на экосистему оз. Байкал». Разработанные новые методики и рекомендации по внедрению мониторинговых наблюдений за качеством воды по бактериологическим и гидрохимическим показателям включены в систему экологического мониторинга Иркутской области (ИРСЭМ) и приняты к использованию. Комитетом природных ресурсов по Иркутской области. Результаты предложенных методов планируется внедрить ЗАО «Исток» при заборе питьевой воды. Экспериментальный и теоретический анализ факторов, влияющих на процессы формирования качества воды озера Байкал, позволит сэкономить около 38 млн. руб. только на капитальных затратах. На основе экспериментальных исследований автора составлены карты, характеризующие качество воды по акватории озера Байкал. Они включены в Атлас Байкала (1993) и используются как справочный материал. В дальнейшем, эти результаты будут необходимы Департаменту по охране окружающей среды и природопользованию Иркутской области при мониторинговых исследованиях за качеством воды, а также всей экосистемы
12
Байкала- участка мирового природного наследия - с целью сохранения уникального озера. Экономический эффект от составленных карт составит 20 млн. руб. только на проведении экспедиций, отбора проб и их обработки.
Новые научно- методические основы применения стандартных биосистем на молекулярном уровне используются в биотехнологических разработках при оценке контроля качества воды исследуемых озер. Байкальские штаммы-продуценты уникальных и редких ферментов, используются в НПО «Вектор» и ООО «СибЭнзим» (г. Новосибирск) при получении сайт- специфических эндонуклеаз рестрикции: Acal, Bsil, Faul, Sse9D. Штаммы микроорганизмов Acinetobacter calcoaceticus B-7 и Flavabacterium aquatil B-l зарегистрированы во Всесоюзной Коллекции Промышленных Микроорганизмов. Коллекционные штаммы микроорганизмов исследуются при изучении качества воды по бактериальным показателям. Планируется разработка технологии этих штаммов при доочистке хозяйственно- бытовых и промышленных сточных вод от фосфатов и нитратов. Экономический эффект от внедрения результатов работы на производстве ферментов рестрикции составляет около 50 млн. руб., а при доочистке сточных вод одного предприятия- 25 млн. руб в год. Практическое применение результатов диссертационной работы подтверждается 9 Актами внедрения и Авторскими свидетельствами (даны в приложении).
Основные результаты диссертационной работы в областях геоэкологии и биотехнологии, получены в Институте Геохимии Сибирского Отделения РАН. Работа проводилась в рамках тем планов НИР СО РАН: "Сравнительное изучение экосистем крупнейших рифтовых озер мира как основа исследований глобальной и климатической изменчивости природной среды и климата на континентах" (№ Госрегистрации 01.9.60002502) в разделах "Разработка основ нормирования антропогенных биотических воздействий на экосистему Байкала для контроля устойчивости развития региона" (руководитель); "Выделение антропогенной составляющей на фоне
13
глобальной природной изменчивости" (руководитель); "Сравнительное изучение процессов азотфиксации донных отложений озер Байкал (Россия), Ньяса, Руква (Восточная Африка), Мичиган и Элкарт (Северная Америка) как основа модели процессов лимитирования биомассы и осадконакопления" (руководитель); "Мониторинг и палеореконструкция глобальных изменеий природной среды, климата и седиментогенеза в кайнозое оз. Байкал и Байкальского региона" (отв. исполнитель); соисполнитель разработки составления документов: "Научные основы нормирования антропогенных воздействий на экосистему Байкала при устойчивом развитии региона"; "Развитие коллекции байкальских микроорганизмов для производства и реализации уникальных ферментов рестрикции" (руководитель). На основе штаммов байкальских микроорганизмов на предприятии "Сибинзим" производятся и реализуются ряд ферментов рестрикции, которые являются уникальными (народно- хозяйственное значение разработок).
Полученные результаты явились основой для выполнения работы по гранту РФФИ совместно с Институтом Эпидемиологии и Микробиологии НЦ МЭ СО РАМН "Влияние антропогенного фактора на качественный состав микроорганизмов и эколого- эпидемиологическую ситуацию в районе Южного Байкала" РФФИ № 01-04-97209 (руководитель). Некоторые оценки экологического состояния озера Байкал получены при выполнении хоздоговорных тем (Институт Гипрогор, Москва) и хоздоговорной работы с Адмистрацией Иркутской области. Для поездки на первую международную конференцию по охране окружающей среды в Африке (Египет, 1995), был получен международный грант Фонда Мак - Артуров.
Материалы диссертации используются в учебных курсах Иркутского государственного технического университета по дисциплинам: "Техническая микробиология" и "Микробиология". Несомненно и обогащение фундаментальной науки: геоэкологии, биотехнологии, микробиологии, физической лимнологии, физико - химической биологии.
14
Основные защищаемые положения:
1. Разработка научно - практических основ формирования качества воды в рифтовых озерах позволила выявить, что экосистемы Байкала и Ньясы подобны по микробиологической гидрохимической и гидродинамической характеристике, несмотря на экстремальные климатические различия (разница температур в водной и воздушной среде).
2. Моделирование пространственных неоднородностей компонентов экосистем исследуемых озер, подтвержденное экспериментальными данными, показало, что в районах антропогенных воздействий появляются зоны, где качество воды нарушено по эколого-санитарной характеристике и соответствует умеренно-загрязненным водам. При этом в пелагиали озер вода характеризуется как предельно-чистая.
3. Разработка и внедрение эколого - биотехнологического метода позволило установить, что бактерии- продуценты уникальных ферментов рестриктаз обнаружены только в антропогенных районах озера Байкал. В фоновых районах Байкала, пробах глубоководных осадков, а также на озере Ньяса, где нет техногенного воздействия, таких бактерий не выделено.
4. Выявлен механизм лимитирования экосистем глубоководных озер по азоту. Показано, что механизм формирования баланса азота в рассматриваемых озерах обусловлен гидродинамическими условиями, как в океанах, а не кинетическими биогеохимическими процессами, как в обычных неглубоких водоемах. Это является наиболее уязвимым звеном в устойчивости экосистем озер Байкала и Ньясы, т.к. в результате нарушения процессов азотфиксации и денитрификации возможны необратимые последствия в нарушении качества воды.
5. Изучение активности процессов азотфиксации и денитрификации позволило представить баланс по азоту в воде озера Байкал. В результате было выяснено, что в условиях Байкала, баланс азота нестационарен и пространственно неоднороден. Это обстоятельство объясняет высокую
15
уязвимость экосистемы озера относительно техногенных и антропогенных воздействий.
6. При принятии управленческих решений по техногенному воздействию на экосистемы крупнейших рифтовых озер, необходимо учитывать
особенности формирования качества воды и основные факторы, влияющие на эти процессы, а при воздействии на геоэкосистемы - давать многолетние прогнозы последствий принятых решений. Апробация работы. Теоретические основы диссертационной работы, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и обсуждались на 10 международных конференциях: «Qualitative methods in locational and ecological modelling» (Одесса, 1991); «In Thermodinamics of natural processes» (Новосибирск, 1992); «Сохранение экосистем озер» (Байкальск, 1993); «The Environment and development in Africa» (Исьют, Египет, 1995), «GIS for Environmental studies and mapping» (Иркутск, 1996); Русско-Японский Медицинский Симпозиум (Иркутск, 1996); «Recovery, recycling» (Швейцария, 1996); «Lake conservation and management» (Аргентина, Лакар, 1997); «Environmental Geotechnology and Global sustainable development» (США, Бостон, 1998); «Bicer, BDP and DIWPA Joint International Symposium on Lake Baikal» (Япония, 1998); всесоюзных и всероссийских конференциях: «Географические исследования восточных районов СССР» (Иркутск, 1981 г.); «Структура и функционирование сообществ водных микроорганизмов» (Иркутск, 1984); «Круговорот вещества и энергии в водоемах» (Иркутск, 1981, 1985); «Проблемы экологии Прибайкалья» (Иркутск, 1982, 1988); «Водные ресурсы суши, их качество и комплексное использование» (Звенигород, 1990); «Динамика и термодинамика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей» (Москва, 1994); «Проблемы охраны природы» (Байкальск, 1984) «Совершенствование регионального мониторинга оз. Байкал» (г. Байкальск, 1981, 1983, 1985, 1992); «Самоорганизация природных и социальных систем»
16
(Алма-Ата, 1995); региональных конференциях и совещаниях: «Качество природной воды в акватории Южного Байкала» (Байкальск, 1992); «Научные подходы к адаптации мирового опыта оценки качества источников питьевой воды в системе Российской сертификации (региональные аспекты)» (Иркутск, 1994); «Сохранение и мониторинг особо охраняемых территорий» (Иркутск, 1996); «Гомеостатика живых, природных, технических и социальных систем» (Иркутск, 2001); «Оценка современного состояния микробиологических исследований в Восточно - Сибирском регионе» (Иркутск, 2002).
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано более 80 работ, из них 4 коллективных монографии и 3 авторских свидетельства. Около 20 работ опубликовано без соавторов. Все основные теоретические и практические результаты работы получены соискателем лично. Определяющий личный вклад автора диссертационной работы подтвержден семинарами лаборатории и Ученым Советом Института геохимии СО РАН с присутствием соавторов по основным публикациям.
17