Научная и учебная работа на кафедре гидробиологии. Научные знания для целей социально-экономического развития и безопасности России

Выбор концепции при интерпретации фактов и проведении практических мероприятий по экологическому менеджменту имеет большое значение. Прикладные аспекты использования предлагаемой концепции самоочищения изложены в книге (Остроумов, 2005, раздел 16 "Прикладные вопросы. Восстановление водных объектов, нарушенных в результате антропогенных воздействий", стр.53-56).

Константинов А.С. Общая гидробиология. М.: Высшая школа. 1979. 480 с.

Малахов В.В. Рец. на книгу С.А.Остроумова "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод" (2004) // ESHS. 2004. Vol.10. p.138. [Malakhov V.V. Review of the book Biotic mechanism of self-purification of freshwater and marine water. MAX Press, Moscow) // ESHS. 2004. Vol.10. p.138].

Мац Л.И. Процессы микробного самоочищения открытых водоемов. В кн. Санитарная микробиология /под ред. Г.П.Калины и Г.Н.Чистовича. М.: Медицина. 1969. С. 199-206. [всего 384 с.]

Методические рекомендации по установлению предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственных водоемов / Составители Патин С.А., Лесников Л.А., Филенко О.Ф. и др. М. : ВНИРО, 1986.-88 с.

Остроумов С.А. Водная экосистема: крупноразмерный диверсифицированный биореактор с функцией самоочищения воды // ДАН, 2000, Т. 374, №3.С.427-429.

Idem. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // ДАН. 2004а. т.396. № 1. С.136-141.

Idem. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и практика. (Biological mechanism of self-purification in natural water bodies and streams: theory and applications. Advances of Modern Biology. 2004. 124: 429-442) // Успехи совр. биологии. 2004б. Т.124. №5. С. 429-442.

Idem. Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод. Элементы теории и приложения. М.: МАКС Пресс. 2004. 96 с.

Idem. Загрязнение, самоочищение и восстановление водных экосистем = Pollution, self-purification and restoration of aquatic ecosystems. М.:МАКС Пресс. 2005а.100 с.

Idem. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005б. т.32. № 3. С. 337-347.

Розенберг Г.С. Рец. на книгу С.А.Остроумова "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод" (2004) // Успехи совр. биол. 2005. № 3. С.317-318. (Rozenberg G.S. Review of the book // Advances of Modern Biol. 2005. No.3. P. 317-318).

Ostroumov S.A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification: current conceptualizations and concluding remarks. Hydrobiologia. 2002. v. 469(1-3): 203-204.

Природы очистительная сила

Предлагается использовать новую экологическую характеристику, характеризующий экосистемы и их состояние – потенциал кондиционирующего воздействия биоты на среду (биотический потенциал кондиционирования среды или потенциал биотического кондиционирования среды). Предлагаются следующие две формулы для расчета величины потенциала кондиционирования в водных экосистемах.

Формула 1. В случае кондиционирования водной среды под воздействием фильтрационной активности фильтраторов (например, зоопланктона) потенциал кондиционирования (Pc) предлагается рассчитывать по формуле (1), которая учитывает длительность рассматриваемого периода времени N:

Pc = N· (V₁/V₂)· 100% (1)

где V₁ – объем воды, который профильтровывается за единицу времени гидробионтами, обитающими в экосистеме общего объема V₂ .

Например, если рассматривается экосистема озера, то - V2 объем воды в озере.

Так, если зоопланктон, обитающий в озере, профильтровывает за сутки половину объема озера, то потенциал кондиционирования воды за сутки составит 1 · (0.5 : 1) · 100% = 50%, а за месяц 30 · (0.5 : 1) · 100% = 1500%.

Формула 2. В случае необходимости оценить потенциал кондиционирования на основе известной информации о том, за сколько дней фильтраторы профильтровывают весь объем водной экосистемы, предлагается следующая формула (2):

Pc = (1/T)·100% (2)

(в этом случае оценивается потенциал кондиционирования за 1 день)

где T – число дней, за которое фильтраторы профильтровывают весь объем водной экосистемы.

Примеры использования формулы (2) дается в следующих таблицах:

Видно, что потенциал кондиционирования варьирует от 1.14% (залив Чезапик Бэй) до 166.67 % (Южный Сан-Франциско Бэй). Сравнительно низкая величина в заливе Чезапик Бэй, возможно, отражает нарушенное состояние этой экосистемы, в которой резко снижена численность популяций устриц, истребленных в результате хищнического промысла.

Cледует отметить, что потенциал кондиционирования воды зоопланктоном может быть значительно выше, чем указано в табл. 2. В самом деле, биомасса доминирующих видов на отдельных станциях Куйбышевского водохранилища достигала 3.4 – 3.8 г/м3 (Романова, 1985 – цит. по Остроумов, 2005), т.е. почти в 4 раза больше, чем средняя биомасса мирного зоопланктона, указанная в табл. 2 для июня, когда потенциал кондиционирования был максимальным и превышал 18%. Следовательно, в условиях максимальной численности зоопланктона этот потенциал может быть приблизительно в 4 раза больше, превышая 64%.

Другой способ оценки максимальной величины потенциала кондиционирования основан на том, что зоопланктон в мезотрофном водоеме за сутки фильтрует 150-250 мл воды на 1 мг сырой массы (Гутельмахер, 1975, цит. по [Романова, 1985] – см. ссылку в [Остроумов, 2005]). Тогда при плотности зоопланктона 3.8 г/м3 из этого 1 м3 за сутки будет профильтровываться 570 – 950 л воды. Следовательно, потенциал кондиционирования составит 57 – 95%. Интересно, что оба способа расчета дают сходные конечные результаты.

Количественная оценка потенциала кондиционирования может служить мерой воздействия биоты на окружающую среду, в том числе водную. В случае водных экосистем этот показатель количественно характеризует вклад данного компонента биоты в формирование качества воды. Можно отметить две полезные особенности этого показателя в приложении к водным системам.

1. Этот показатель универсален в том отношении, что может использоваться и для пресноводных, и морских (эстуарных) экосистем. Так, в таблице 1 верхние две строки относятся к пресноводным системам, нижние строки относятся к морским или эстуарным. Таблица 2 дополнительно иллюстрирует возможности расчета для пресноводной экосистемы.

2. Пример современной экосистемы залива Чезапик Бэй (где выявлен сравнительно низкий потенциал кондиционирования) показывает, что предлагаемый показатель именно тем и может оказаться полезным, что характеризует не только экосистему вообще, но и ее состояние – в той или иной мере нарушенное при воздействии антропогенных факторов.

Остроумов С.А. Загрязнение, самоочищение и восстановление водных экосистем. М.: МАКС Пресс. 2005. 100 с.

Ostroumov S. A. 2005. Some aspects of water filtering activity of filter-feeders // Hydrobiologia. 2005 Vol. 542, No. 1. Pages: 275 – 286.

Here are your waters and your watering place

Водные организмы в экосистемах осуществляют процессы, ведущие к очищению воды в пресноводных и морских водных объектах. Вода надлежащего качества, свободная от загрязняющих веществ и патогенных микроорганизмов – необходимое условие того, чтобы водоемы и водотоки несли свои функции как:

(1) местообитания видов живой природы – предпосылка и необходимое условие сохранения биоразнообразия, а также сохранения водно-биологических ресурсов, необходимых для здорового питания;

(2) источник питьевой воды - предпосылка и необходимое условие сохранения здоровья населения;

(3) водохозяйственные ресурсы;

(4) рекреационные ресурсы – также предпосылка и необходимое условие сохранения здоровья населения.

Среди многих контаминантов, загрязняющих воду и снижающих ее качество, существенную роль играют и химические, и биологические контаминанты. Среди последних – бактерии, цианобактерии (продуцирующие цианотоксины), водоросли (продуцирующие альготоксины), вирусы (энтеровирусы сохраняются в воде дольше кишечных палочек и проявляют более высокую устойчивость к хлору, чем кишечные палочки), грибы и др. Повышенную устойчивость к хлору проявляют такие биологические контаминанты, как энтерококки и некоторые вирусы. При дозах остаточного хлора выше 0,2 мг/л прекращался рост кишечной палочки, при дозах выше 0,5 мг/л патогенные вирусы полиомиэлита утрачивали цитопатогенное действие; однако, энтерококки и аттенуированный штамм вируса полиомиэлита переносили дозу 1,1 мг/л и лишь при содержании хлора выше этой дозы не обнаруживались. Размножению кишечных палочек в воде благоприятствует наличие взвешенных органических и неорганических частиц и отмирающего фитопланктона. Для характеристики фекального загрязнения вод используют также наличие в воде сульфитредуцирующих анаэробов, в частности Clostridium perfringens, группы протея, в частности Proteus vulgaris, P. mirabilis и других, синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa, кишечного бактериофага (обзор см. Калина, 1969). Хозяйственно бытовые сточные воды городской канализации несут большое количество бактерий – около 400 мг/л, т.е. около 0,04% от объема сточной жидкости. Один человек за сутки выделяет с испражнениями несколько триллионов микроорганизмов, в том числе 10-406 млрд клеток бактерий группы кишечной палочки, а также энтерококки, спороносные аэробные и анаэробные палочки, лактобациллы, грибы и некоторые простейшие. В течение купания человек вносит в воду стафилококки, дифтероидные палочки, сарцины, стрептококки, бактерии Дедерлейна и другие; за 10 минут купания от одного человека поступает свыше 3 млрд сапрофитных бактерий и от 100 тыс до 20 млн кишечных палочек. В 1 мл талых вод в Днепропетровске было обнаружено от 13 тыс до 9 млн сапрофитных бактерий и до 1 млн кишечных палочек. В стоках от рынков количество сапрофитных бактерий достигает 10 млрд в 1 мл. В водоемы попадают возбудители заболеваний, выделяемые больными людьми, бактерионосителями и некоторыми животными. Среди таких возбудителей заболеваний – патогенные энтеробактерии, холерный вибрион, палочки тулеремии и туберкулеза, патогенные лептоспиры, вирусы полиомиэлита, гепатита, конъюнктивита и другие. Дизентерийные бактерии Зонне, вносимые в одинаковых дозах, в стерильной воде выживают 62 дня, а в воде, содержащей постороннюю микрофлору – 48 дней (обзор: Корш, Талаева, 1969).

Тем самым выявляются немало причин, заставляющих констатировать важность самоочищения воды для обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения.

В предыдущих публикациях была показана необходимая роль биоты в общей системе процессов самоочищения (куда входят в качестве важных составляющих и физические, и химические процессы) (Остроумов, 2000, 2001).

В наших работах была раскрыта роль в самоочищении практически всех основных групп гидробионтов, полифункциональное участие водного биоразнообразия в механизмах самоочищения воды (Остроумов, 2004а,б,в; 2005 а,б). Выдвинутые в работах (Остроумов, 2004в, 2005а) концепции были поддержаны другими специалистами (Малахов, 2004; Розенберг, 2005). Проведенные совместно с Т.А.Чердынцевой опыты показали, что двустворчатые моллюски, фильтруя воду, могут снижать численность в воде бактерий Escherichia coli (Остроумов, Чердынцева, 2004). Наши опыты дополнительно подтвердили способность фильтраторов изымать из воды представителей нескольких основных групп планктонных одноклеточных организмов – водорослей, цианобактерий, гетеротрофных бактерий, грибов.

В литературе имеются и многие другие указания на способность фильтраторов использовать в качестве пищевого ресурса бактерий и тем самым снижать их численность в водной среде.

Анализ литературы, наши эксперименты и вышеприведенные соображения доказывают существование нескольких сторон большой и необходимой роли самоочищения воды в поддержании здоровья среды и населения РФ.

Литература

Калина Г.П. Санитарно-показательная микрофлора воды. В кн.: Санитарная микробиология /под ред. Калины Г.П., Чистовича Г.Н. М.: Медицина, 1969. С. 183-194.

Корш Л.Е., Талаева Ю.Г. Пути и источники бактериального загряязнения водоемов. В кн.: Санитарная микробиология /под ред. Калины Г.П., Чистовича Г.Н. М.: Медицина, 1969. С. 194-196.

Малахов В.В. Рец. на книгу С.А.Остроумова "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод" (2004) // ESHS. 2004. Vol.10. p.138. [Malakhov V.V. Review of the book (Biotic mechanism of self-purification of freshwater and marine water. MAX Press, Moscow) // ESHS. 2004. Vol.10. p.138].

Остроумов С.А. Водная экосистема: крупноразмерный диверсифицированный биореактор с функцией самоочищения воды // ДАН, 2000, Т. 374, №3.С.427-429.

Idem. Биологические эффекты при воздействии поверхностно-активных веществ на организмы. М.: МАКС-Пресс. 2001. 334 с.

Idem. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // ДАН. 2004а. т.396. № 1. С.136-141.

Idem. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и практика. (Biological mechanism of self-purification in natural water bodies and streams: theory and applications. Advances of Modern Biology. 2004. 124: 429-442) // Успехи совр. биологии. 2004б. Т.124. №5. С. 429-442.

Idem. Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод. Элементы теории и приложения = Biotic mechanism of self-purification of freshwater and marine water. М.: МАКС Пресс. 2004в. 96 с.

Idem. Загрязнение, самоочищение и восстановление водных экосистем = Pollution, self-purification and restoration of aquatic ecosystems. М.: МАКС Пресс. 2005а. 100 с.

Idem. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005б. т.32. № 3. С. 337-347.

С.А.Остроумов, Т.А.Чердынцева. Пресноводные моллюски снижают концентрацию бактерий Escherichia coli в воде // ESHS. 2004. Т. 10. С. 84 - 86.

Розенберг Г.С. Рец. на книгу С.А. Остроумова "Биотический механизм самоочищения пресных и морских вод" (2004) // Успехи совр. биол. 2005. № 3. С.317-318. (Rozenberg G.S. Review of the book // Advances of Modern Biol. 2005. No.3. P. 317-318).

Ostroumov S.A. Polyfunctional role of biodiversity in processes leading to water purification: current conceptualizations and concluding remarks. Hydrobiologia. 2002. v. 469(1-3): 203-204.

Вода бесконечные лики вмещает

В безмерность своей глубины…

К. Бальмонт

В предыдущих работах (1-5) были изложены элементы теории самоочищения воды, где раскрывается центральная роль биоты в самоочищении. Продолжая разработку этих вопросов, целесообразно сформулировать наиболее фундаментальные функции биоты в самоочищении воды и поддержании ее качества. Как представляется, их пять: энергетическая, каталитическая, секвестрационная, экспортная и интеграционная. Подробнее они раскрываются в таблице, представленной ниже.

Литература: 1.Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // ДАН. 2004. т.396. № 1. С.136-141. 2.Idem. Биологический механизм самоочищения в природных водоемах и водотоках: теория и практика. (Biological mechanism of self-purification in natural water bodies and streams: theory and applications. Advances of Modern Biology. 2004. 124: 429-442) // Успехи совр. биологии. 2004. Т.124. №5. С. 429-442. 3.Idem. Загрязнение, самоочищение и восстановление водных экосистем = Pollution, self-purification and restoration of aquatic ecosystems. М.: МАКС Пресс. 2005. 100 с. 4.Idem. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т.32. № 3. С. 337-347.5. Idem. О полифункциональной роли биоты в самоочищении водных экосистем // Экология. 2005. № 6. С. 452–459.

С.А.Остроумов (МГУ, биологический факультет, каф. гидробиологии)

Ранее мы сообщали об измерении нового морфометрического показателя [1]. Использование этого показателя полезно для оценки фильтрационной активности гидробионтов [1-4].

Цель работы – выявить и сообщить новые факты об определении этого показателя (удельного объема) при изучении выборки морских двустворчатых моллюсков Mytilus galloprovincialis.

Методика описана в [1]. Морские моллюски Mytilus galloprovincialis собраны в Черном море в конце августа 2005 г. вблизи г. Севастополя. Моллюски Mytilus galloprovincialis были выращены в условиях марикультуры в Черном море (вблизи г. Севастополя).

Использована выборка Mytilus galloprovincialis (67 экз.) (см. табл.1). Суммарный сырой вес с раковинами составил 676.9 г. Средний вес (сырой вес с раковинами) – 10.103 г.

Таблица 1. Минимальные и максимальные размерно-весовые характеристики мидий M. galloprovincialis в использованной выборке

Характеристика особи	Наименьшая особь	Самая крупная особь
Сырой вес с раковиной, г	3.84	24.2
Длина, мм	35	66

В результате проведенных измерений получены следующие цифры. Суммарный объем составил 620,0 см³. Следовательно, удельный вес составил 676.9 : 620 = 1.092 г/ см³. Удельный объем мидий составил 620 : 676.9 = 0.9159 см³/г.

Полученное значение удельного объема выше, чем те значения, которые мы получали ранее. Возможно, это объясняется тем, что в данной работе использовали мидий, которые голодали в течение 6 суток, находясь при 15 ºС. Возможно, имеют значение и особенности популяции, из которой была взята эта выборка (мидии были выращены в условиях марикультуры).

Зная удельный объем моллюсков, легко перейти от весовых показателей биомассы к объемным, а это в свою очередь позволяет по-новому охарактеризовать их фильтрационную активность.

Применение этого показателя (удельного объема организмов) полезно, т.к. позволяет пересчитать в новую форму данные о фильтрации воды, первоначально измеренные в объемах воды, отнесенных к сырому весу фильтраторов (например, см. [5-7] и табл. 7 на стр. 39 книги "Биоэнергетика гидробионтов"[6]).

В ряде работ фильтрация воды указана в расчете на единицу веса мягких тканей за вычетом золы (ash-free dry body weight, AFDBW). В литературе приводят также данные о фильтрации, нормированной на единицу сухого веса организмов – например, такие сведения указаны для асцидий Ciona intestinalis, моллюсков Arctica islandica, Cardium echinatum, Crassostrea virginica, Geukensia demissa, Mercenaria mercenaria, Modiolus modiolus, Mytilus edulis, полихет Chaetopterus variopedatus, губок Halichondria panicea (многие авторы, цит. по [7]). Зная процентное содержание золы и соотношение между сухим и сырым весом организмов, такие данные также можно пересчитать с использованием удельного объема организмов.

В результате пересчета с использованием изученного показателя (удельный объем) можно получить цифры, относящиеся к объему профильтрованной воды, отнесенному к объему организмов-фильтраторов, т.е. безразмерный показатель. Сравнение безразмерных показателей удобно и позволяет расширить эмпирическую базу сопоставляемых сведений о фильтрационной активности разных гидробионтов или данных, полученных в различных опытах, что открывает путь к более фундаментальным обобщениям.

Благодарю сотрудников ИНБЮМ (Севастополь), Г.Е.Шульмана, Г.А.Финенко, З.А.Романову за помощь.

Литература. [1] Остроумов С.А. К изучению двустворчатых моллюсков // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2003. Т.6. с. 101-105. [2] Idem. Биологические эффекты при воздействии ПАВ на организмы. М.: МАКС-ПРЕСС. 2001. 334 с. [3 ] Idem. О функциях живого вещества в биосфере // Вестник РАН. 2003. Т. 73. № 3. С.232-238. [4] Idem. Идентификация нового вида опасности химических веществ: ингибирование процессов экологической ремедиации //ДАН. 2002. т.385. № 4. С.571-573. [5] Idem. Факты и концепции экологии 12. К изучению атлантических мидий. Удельный объем // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2004. Vol. 7. P. 146-150. [6] Шульман Г.Е., Финенко Г.А. Биоэнергетика гидробионтов. Киев: Наукова думка. 1990. 248 с. [7] Dame R., Bushek D., Prins T. Benthic suspension feeders as determinants of ecosystem structure and function in shallow coastal waters // Ecological Studies. 2001. v. 151. P. 11-37.

ЭКОСИСТЕМА КАК ТРАНСФОРМЕР: НОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ В ПОДХОДАХ К ПОНИМАНИЮ СУЩНОСТИ ЭКОСИСТЕМЫ

С.А.Остроумов
Нет плотности, нет веса, нет размера -

Есть функции различных скоростей.