Looking into causes of algal blooms, scientists name anthropogenic contamination of water bodies with nutrients (N, P) leading to eutrophication. A theory emerged in Russia dubbed algolization is attributing natural faculties of green algae Chlorella vulgaris to the claims it mitigates green-blue algae blooms. In 2014 the 11 ^th Congress of HBS RAS issued a warning about algolization, pointing at the total lack of scientific and practical evidence, and even possible harm to hydrobiology in algolized water bodies. HBS RAS called for scientifically and practically proved methods to combat eutrophication. In this paper we compare algolization commercial advertising claims about Ch. vulgaris “wonder” faculties to the current scientific data about algae Ch. vulgaris in the context of using algae to mitigate algal blooms.

Введение

Данное исследование состоит из трех частей, две из которых уже опубликованы. В первой части работы мы рассмотрели заявления коммерческой рекламы метода альголизации о биологической реабилитации водоемов с помощью искусственного заселения клетками зеленой водоросли Chlorella vulgaris (Хлорелла вульгарис), о том, что Ch. vulgaris аллелопатически подавляет рост синезеленых водорослей в водоеме, выигрывает у них конкуренцию за питательные элементы (азот, фосфор). Во второй части работы мы проанализировали заявления коммерческой рекламы альголизации, касающиеся роли Ch. vulgaris в формировании вредных водорослевых цветений и круговороте питательных элементов (азот, фосфор) в водоеме. В третьей части исследования мы проверим рекламные заявления о доминировании Ch. vulgaris в водоеме: условия роста, плотность биомассы, последствия для экосистемы водоема.

Доминирование Ch. vulgaris

I

Реклама альголизации описывает применение Ch. vulgaris для очистки водоема от синезеленых водорослей следующим образом: «За несколько дней хлорелла становится доминирующей микроводорослью в поверхностном слое воды, насыщая его кислородом и удаляя из него излишки углекислого газа, различные органические и неорганические загрязнения» [19].

Ученые из Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (г. Екатеринбург) в статье «К вопросу об альголизации водоемов», опубликованной в 2013 г., утверждают: «Наиболее эффективно хлорелла подавляет развитие синезеленых водорослей в большой концентрации, когда плотности сопоставимы или плотность хлореллы превышает плотность синезеленых водорослей. Речь в данном случае идет об очень высокой численности хлореллы — от 3 до 8 млрд кл./л (млн кл./мл), которая наблюдалась от начала и до конца эксперимента. При таких условиях хлорелла успешно размножается и подавляет развитие не только синезеленых, но и зеленых водорослей» [1].

Следует отметить, что 3–8 млрд клеток в литре — это в 3000–8000 раз больше нормальной концентрации фитопланктона для водоемов!

Так, в статье «Цветение водоемов: причины и последствия» авторы отмечают: «Одноклеточные водоросли и бактерии в некотором количестве присутствуют в каждом естественном водоеме. Нормальной считается концентрация 100–1000 клеток на один миллилитр, зависимо от их размера» [2].

В исследовании «Фитопланктон как показатель качества воды разнотипных водоемов территории города Омска» сказано: «Биомасса фитопланктона за годы исследований в среднем по озеру колебалась в пределах 53,58–111,26 г/м ³ , по данному показателю водоем относится к 5-му классу качества вод — “грязная”, разряду “весьма грязная” или “предельно грязная”» [4].

При обращении с просьбой прокомментировать данное обстоятельство производитель концентрата Ch. vulgaris для водоемов дал следующий ответ.

@AlgotecAqua: «За последние 4 года в научной литературе опубликовано более 12 000 статей о пользе хлореллы и ее использовании в качестве биоремедиатора минеральных и органических загрязнений. Таким образом, для современной науки решение XI Съезда Гидробиологического общества от 2014 г. не является значимым документом. Наукой доказано на конкретных примерах, что хлорелла является самым эффективным из известных мелиораторов. Хлорелла в водоеме является первичной продукцией и кормом зоопланктона и растительноядных рыб, следовательно хлорелла не является вторичным загрязнителем. Благодарим за интерес к теме, рекомендуем почитать более свежие научные статьи о пользе хлореллы в водоеме».

II

Следуя данному производителем совету, покажем использование водоросли Ch. vulgaris в качестве биоремедиатора органических и минеральных загрязнений на примерах конкретных научных исследований, как правило выполненных в лабораторных колбах, в специальных фотобиореакторах в строго контролируемых условиях.

Так, в научной статье «Использование Chlorella vulgaris для биоремедиации стоков текстильной фабрики», опубликованной в 2010 г., отмечается: «Из 10 видов микроводоросли Ch. vulgaris UMACC 001 оказалась способной расти в стоках текстильного производства и удалять краситель. Эффективность удаления красителя Ch. vulgaris снижалась по мере увеличения концентрации текстильных стоков в среде. Система водорослевых прудов (HRAP) представляется достаточно хорошей для биоремедиации текстильных стоков, позволяя удалить до 50 % красителя, а также снизить содержание загрязнителей, таких как ХПК (химическое потребление кислорода. — В. С. ), NH ₄ –N, и PO ₄ –P» [6]. Авторы описывают систему водорослевых прудов: «Использование HRAP является эффективным подходом в биоремедиации агроиндустриальных стоков. Система состоит из мелких прудов с плотными водорослевыми культурами, аэрированных с помощью вододействующих колес с лопастями. Кроме удаления загрязнителей, формируемая водорослевая биомасса может быть использована как высококачественный корм для скота. Микроводоросли Chlorella и Spirulina , выращенные в HRAP, оказались полезными в очистке стока с содержанием каучука и крахмала саго… При очистке стока с содержанием каучука в водорослевых прудах продуктивность Ch. vulgaris варьировалась от 25 до 61 г/м ² /сут, с высоким процентом удаления ХПК, NH ₄ –N и PO ₄ –P… Высокая продуктивность биомассы (18 г/м ² /сут) с эффективным удалением ХПК, NH ₄ –N и PO ₄ –P (98,0, 99,9 и 99,4 % соответственно) была достигнута использованием HRAP для очистки крахмальных стоков с помощью Spirulina platensis … Кроме того, водорослевые пруды, очищающие стоки свинофермы, с использованием смешанной популяции водорослей генерирует биомассу в количестве от 21 до 28 г/м ² /сут с удалением ХПК и общего азота по Кьельдалю на 76 и 88 % соответственно…» [6].

III

К какому классу качества воды должен быть отнесен водоем, в котором продуктивность фитопланктона составляет десятки граммов на квадратный метр в сутки?

Данный вопрос затрагивался в исследовании «Биоремедиация стоков молочного завода и оценка потенциала удаления питательных элементов с помощью Chlorella vulgaris », опубликованном в 2022 г.: «Поскольку мутность сточной воды была высокой, сток молочного производства разбавили дистиллированной водой в различных концентрациях — 100, 75, 50 и 25 %. Ch. vulgaris показала многообещающий результат при росте на стоке молочного производства с максимальной концентрацией биомассы 2,43 г/л и максимальной продуктивностью биомассы 225 г/л/сут (невероятно высокий показатель. — В. С. ). В целом результаты биоремедиации продемонстрировали максимальную эффективность очистки: ХПК — 81,48 %; общий азот — 87,7 %; общий фосфор — 93,5 %. Липидный состав характеризовался высоким содержанием кислот: c16:0 (пальмитиновая кислота), c18:2 (линолевая кислота) и c18:3 (линоленовая кислота), что свидетельствует о пригодности метилового эфира жирной кислоты для производства биодизеля» [3].

Авторы статьи «Биоремедиация сточных вод с использованием Chlorella vulgaris : фосфор и органические вещества», опубликованной в 2016 г., поделились полученными результатами: «В настоящем исследовании микроводоросль Ch. vulgaris показала большой потенциал к удалению питательных элементов из сточных вод, обеспечивая снижение фосфора и ХПК до показателей, соответствующих стандартам охраны окружающей среды. Количество фосфора было почти полностью удалено, что подтверждает способность Ch. vulgaris строить из фосфора свои клетки. Эффективность снижения ХПК (71 %) была ниже, чем в случае с фосфором. Несмотря на то что очистка сточной воды этой микроводорослью эффективно снижает количество питательных элементов, степень удаления ХПК недостаточна для использования данного метода в качестве вторичной очистки. Однако это дает новую возможность глубокой доочистки сточных вод с большим количеством питательных элементов, не удаленных из стока в основном процессе. Таким образом, Ch. vulgaris может снижать уровень питательных элементов и производить ценную биомассу, пригодную для производства биодизеля» [7]. Авторы описывают проведение эксперимента: «Штамм микроводоросли был культивирован в синтетическом стоке при комнатной температуре с искусственным освещением и аэрацией. Параметры роста pH, ХПК, фосфор, число клеток, оптическая плотность и сухой вес измерялись во время эксперимента. При этих условиях микроводоросль смогла удалить фосфор более чем на 99 %. В свою очередь, ХПК был снижен до 71 %. Через 9 суток культивирования концентрация биомассы возросла с 0,05 до 0,57 г/л» [7].

Таким образом, авторы снова используют водорослевые пруды после основных очистных сооружений и предъявляют строгие требования к процессу очистки: достаточная прозрачность стока, освещенность, pH, температура и ежедневный прирост биомассы.

IV

В статье «Биоремедиация канализационных стоков с помощью микроводоросли (Chlorella minutissima) », опубликованной в 2020 г., говорится: «Настоящее исследование предпринято с целью оценки роли микроводоросли Chlorella minutissima в фикоремедиации канализационных стоков. Выбранная микроводоросль удалила 94,4 % растворенных примесей, 88,9 % NO ₃ –N, 66,3 % калия, 67,4 % фосфора, 48,2 % NH ₄ ⁺ , 93 % БПК (биохимическое потребление кислорода. — В. С. ) и 80,5 % ХПК. Полученная после фикоремедиации вода может быть безопасно использована для ирригации. …Максимум загрязнителей был усвоен Ch. minutissima в течение 10–15 дней после сбора стока. Биомасса водоросли, полученная после фикоремедиации (25 дней), обычно содержала 6 % азота, 1 % фосфора и около 0,48 % калия, что выше, чем в большинстве доступных органических удобрений. Водорослевая биомасса, произведенная на единицу стока, была определена фильтрованием очищенного водорослью стока через 25 дней фикоремедиации с использованием миткалевой ткани. Полученная свежая и сухая биомасса составляла 1,26 ± 0,07 и 0,44 ± 0,04 г/л стока соответственно» [8].

Для того чтобы не отделять биомассу Ch. vulgaris, достигшую огромной концентрации 1260–440 г/м ³ , предлагается сливать зеленый бульон в почву как удобрение.

V

Авторы исследования «Физико-химические свойства сточной воды кожевенного завода промышленной зоны Чаллава в Кано и оценка потенциала биоремедиации с помощью Spirogyra porticalis и Chlorella vulgaris », опубликованного в 2019 г., отмечают: « S. porticalis и Ch. vulgaris оказались наиболее широко распространенными видами микроводорослей и были изолированы и культивированы для биоремедиации тяжелых металлов в сточных водах кожевенного завода компании G&M, расположенного в промышленном районе Чаллава. Результаты настоящего исследования показывают, что в стоках кожевенного завода S. porticalis имела аффинность к свинцу, составившую 51, 55 и 51 % на 3, 6 и 9-ю недели соответственно. Ch. vulgaris демонстрировала наивысший потенциал к удалению свинца из стока, который составил 90, 86 и 90 на 3, 6 и 9-ю недели соответственно. Результаты также показывают, что биоремедиация заняла 9 недель после инокуляции стока кожевенного производства штаммами микроводорослей и биоремедиация достигла пика на 6-й неделе. Температура варьировалась от +30 до +31 °С, что могло быть результатом влияния температуры окружающей среды. <…> Было проведено отделение биомассы. Изоляты собирались центрифугированием с помощью центрифуги OHAUS FRONTIERTM 5706. Образцы были центрифугированы при 5000 об/мин в течение 15 мин» [9].

Для удержания стока на очистке в течение 6–9 недель размер емкостей должен быть колоссальным. Редкий кожевенный завод позволит себе накапливать суточный сток в течение этого периода.

VI

Результаты проведенного эксперимента описаны авторами в статье «Очистка канализационных стоков с помощью микроводоросли Ch. vulgaris в целях параллельной очистки стока и выращивания биомассы», опубликованной в 2023 г.: «На 19-й день эксперимента (здесь и далее выделено мною. — В. С. ) по очистке канализационного стока с помощью Ch. vulgaris ХПК перестал снижаться и начал расти . По всей видимости, это произошло в результате разложения накопившейся биомассы Ch. vulgaris, что в свою очередь привело к повышению концентрации свободной органики . <…> На 12-й день эксперимента наблюдалось снижения качества очистки стока по ХПК, NH ₃ –N и ортофосфатам. Некоторые ученые связали это с отмиранием микроводоросли, вызванным накислороживанием воды и недостатком питания. Отмирание микроводоросли привело к возвращению усвоенных Ch. vulgaris питательных веществ обратно в воду и изменению pH. Рост биомассы Ch. vulgaris наблюдался с 1-го дня эксперимента и продолжался до 12-го дня (в одном случае — до 14-го дня), плотность биомассы микроводоросли достигла 400 мг/л. Поскольку фотосинтез микроводорослей дает много кислорода без использования электричества, при этом абсорбируя питательные вещества, водорослевые пруды могут стать решением для очистки сточных вод. <…> Одной из самых больших трудностей в создании приемлемых по стоимости систем очистки является удаление биомассы микроводорослей из очищенного стока. Малый размер клеток Ch. vulgaris и их отрицательный поверхностный заряд не позволяют объединить отдельные клетки в более крупные, легко удаляемые хлопья, в результате требуется несколько ступеней очистки стока от клеток микроводорослей, что существенно повышает общую стоимость отделения биомассы микроводорослей от очищенного стока. По оценками, стоимость сбора биомассы составляет до 30 % от всех расходов по очистке стока. Это вызвано энергоемкостью процесса. Более того, стоимость оборудования для сбора микроводорослей и их обезвоживания может достигать 90 % от общих затрат. Несмотря на предпринятые в этом исследовании усилия, остается много невыясненного в вопросах использования крупномасштабных систем очистки» [10].

Таким образом, 14-дневный цикл культивирования на канализационном стоке закончился отмиранием клеток Ch. vulgaris и возвращением в воду питательных элементов, а плотность биомассы достигла 400 мг/л (или 400 г/м ³ , или 28 г/м ³ /сут).

VII

К какому классу загрязненности должна быть отнесена вода с подобным содержанием биомассы фитопланктона?

Цветение начинается, когда количество биомассы фитопланктона в 1 м ³ воды достигает 2,5–10 г. Предельно допустимое значение этого показателя — 10 г/м ³ воды. В зависимости от величины биомассы фитопланктона в 1 м ³ воды выделяют 4 стадии цветения:

1. Отсутствие цветения (менее 2,5 г/м ³ ).

2. Начальное цветение (2,5–10 г/м ³ ).

3. Умеренное цветение (10–100 г/м ³ ).

4. Интенсивное цветение (100–500 г/м ³ ).

По концентрации биомассы фитопланктона водоемы делятся на олиготрофные (с низким содержанием питательных элементов), мезотрофные (со средним содержанием питательных элементов) и эвтрофные (с высоким содержанием питательных элементов), также известные как перекормленные водоемы (табл. 1).

Таблица 1

Классификации водоемов по биомассе фитопланктона

Таким образом, зарубежные исследователи признают, что в строго контролируемых условиях Ch. vulgaris размножается в насыщенном загрязнением стоке, усваивая питательные элементы (азот, фосфор) в зависимости от прироста биомассы. При эффективном усвоении питательных элементов продукция биомассы Ch. vulgaris измеряется десятками граммов на кубометр в сутки. Биомассу необходимо отделять и использовать, например перерабатывать в биодизель, удобрение, корм для скота. Возможность получения на выходе зеленого бульона, в котором свободные соединения азота и фосфора просто заменены соответствующим количеством клеток Ch. vulgaris , не допускается. В то время как зарубежные ученые озадачены дороговизной и сложностью отделения биомассы водоросли Ch. vulgaris в промышленных масштабах, отечественные коммерсанты предлагают искусственно наполнять водохранилища биомассой Ch. vulgaris под привлекательными лозунгами борьбы с вредными синезелеными водорослями.

Влияние Ch. vulgaris на среду водоема

I

В статье производителя концентрата Ch. vulgaris «Принцип действия планктонной хлореллы в водоеме» сказано: «За несколько дней хлорелла становится доминирующей микроводорослью в поверхностном слое воды, насыщая его кислородом и удаляя из него излишки углекислого газа» [19]. О каких «излишках углекислого газа» идет речь?

В научном исследовании «Изменения концентрации CO ₂ вызывают сукцессию вспышек цветения токсичных и нетоксичных штаммов Microcystis », опубликованном в 2024 г., говорится следующее: «Динамические изменения между токсичными и нетоксичными штаммами во время вспышек цветения Microcystis всегда вызывали горячее обсуждение. Предыдущими исследованиями обнаружено, что низкая концентрация углекислого газа дает преимущество токсичным штаммам, но, как изменения содержания растворенной углекислоты в водном объекте влияют на сукцессию токсичных и нетоксичных штаммов в период вспышек цветения Microcystis , остается невыясненным. В этой работе мы сочетаем лабораторные эксперименты с межвидовой конкуренцией, полевые наблюдения и машинные модели, для того чтобы раскрыть связи между изменениями концентрации СO ₂ и сукцессией. Лабораторные эксперименты позволили установить, что при в условиях низкого содержания СO ₂ (100–150 ppm) токсичные штаммы могли эффективнее удалять CO ₂ и доминировать. Нетоксичные штаммы демонстрировали преимущество при более высокой концентрации CO ₂ (400–1000 ppm). Полевые наблюдения с июня по ноябрь на озере Тайху показали, что процент токсичных штаммов возрастал с понижением концентрации СO ₂ . Машинные модели выявили связи между концентрацией неорганического углерода и пропорцией полезных штаммов. Полученные данные позволяют по-новому осмыслить вопросы прогнозирования и предотвращения токсичных вспышек цветения синезеленых водорослей. В работе показано, как изменения концентраций CO ₂ влияют на сукцессию токсичных и нетоксичных штаммов во время вспышек цветения Microcystis . Эксперименты, проведенные в поле и лаборатории, подтвердили, что среды с низкой концентрацией CO ₂ благоприятствуют доминированию токсичных штаммов, в то время как нетоксичные штаммы проявляют конкурентные преимущества при высоких концентрациях СО ₂ . Наша модель также раскрыла связь между СO ₂ , НСO ₃ и пропорцией токсичных штаммов во время вспышек цветения Microcystis » [11].

Следовательно, если все будет работать так, как описывает реклама альголизации, то понижение концентрации СO ₂ в водоеме создаст благоприятные условия для вспышки водорослевого цветения токсичных штаммов синезеленой водоросли Microcystis.

II

Авторы научной статьи «Влияние Chlorella vulgaris на высвобождение фосфора из фосфатного комплекса железа в донном осадке при непрерывном культивировании», опубликованной в 2022 г., делятся результатами: «В настоящем исследовании было изучено влияние высвобожденного трехвалентного железа Fe ³⁺ из феррофосфатного комплекса Fe–P на биомассу, флокуляцию и удаление ортофосфатов PO ₄ ^3– при содействии Ch. vulgaris . Результаты показали, что Ch. vulgaris может способствовать высвобождению связи Fe–P и что темпы роста при этом ниже чем 0,2 мг/сут во время периода высвобождения. По расчетам, количество высвобожденного Fe–P достигло 0,055–0,45 мг/сут в объеме раствора 200 мл. Fe ³⁺ и PO ₄ ^3– проявляются двумя путями. Во-первых, Fe ³⁺ из Fe–P может усиливать Ch. vulgaris и подавлять рост биомассы; эффективность флокуляции освобожденного Fe ³⁺ способна достигать 72–78 %. Во-вторых, степень удаления P существенно снизилась благодаря внутренней фосфатной нагрузке. Это показывает, что железофосфатный осадок конвертируется в биодоступный фосфор благодаря Ch. vulgaris » [12].

Необходимое пояснить, что железофосфатный осадок недоступен для использования живыми микроорганизмами. Ch. vulgaris способствует разрушению комплекса и конверсии фосфора в биодоступную форму.

Условия для роста Ch. vulgaris

I

«При благоприятных условиях (температура воды + свет + питание, а также при отсутствии сильных подавляющих токсинов) хлорелла чрезвычайно быстро делится, каждые 12 часов ее количество увеличивается в 2–4 раза», — говорится в рекламе альголизации.

В научной статье «Влияние продолжительности аэрации на рост Chlorella vulgaris », опубликованной в 2024 г., авторы описывают условия проведенного эксперимента: «Продолжительная аэрация в течение 24 ч в сутки является оптимальным условием роста для Ch. vulgaris. Для среды объемом 500 мл мы использовали поток воздуха, равный 2 л/мин. Исследование проводилось при чередовании цикла «день : ночь» (12 : 12) и освещенности 6000 лк» [13]. Были получены следующие результаты исследования: «Плотность клеток микроводоросли показала разницу между двумя факторами. Обычно микроорганизмы имеют фазы роста: 1) фазу адаптации (лаг-фазу); 2) экспонентную фазу; 3) стационарную фазу. В реакторе, освещенном 24 ч в сутки, можно наблюдать эти фазы по ежедневному увеличению числа клеток. Первую неделю занимает адаптационная фаза. После того как Ch. vulgaris хорошо адаптируется, начинается экспонентная фаза, которая продолжается до достижения пика роста на 10-й день, затем следует медленное снижение числа клеток до 14-го дня. В реакторе, освещенном 12 ч в сутки, эти фазы не наблюдаются, в то время как число клеток с каждым днем уменьшается. Это может быть вызвано недостатком кислорода в ночной период. Растворенный кислород необходим для дыхания микроводоросли как акцептор электронов в производстве АТФ. Если процесс дыхания нарушается, то нарушается и фотосинтез. Это может препятствовать росту биомассы» [13].

Таким образом, Ch. vulgaris для роста необходимо либо непрерывное освещение, либо 12-часовое с использованием аэрации в ночной период. В рекламе альголизации повторяется постулат о том, что водоросль Ch. vulgaris сама вырабатывает кислород, насыщая воду кислородом лучше всякой аэрации.

II

Отечественные ученые в статье «К вопросу об альголизации водоемов» отмечают: «...согласно данным физиологии растений, в процессе жизнедеятельности хлорелла, как и любой другой растительный организм, не только выделяет кислород при фотосинтезе, но и поглощает его при дыхании и не имеет каких-либо отличий в данном аспекте от других микроводорослей. <…> Предположение о появлении в воде в присутствии хлореллы атомарного кислорода с точки зрения физиологии растений безосновательно» [1].

В научном исследовании «Очистка канализационных стоков с помощью микроводоросли Chlorella vulgaris в целях параллельной очистки стока и выращивания биомассы» читаем: «Однако способность микроводоросли понижать ХПК в сточной воде ограничена количеством света, аэрации и исходной концентрацией загрязнителей в сточной воде. Хотя в начальных исследованиях использовали высококонцентрированные стоки с целью подстегнуть снижение ХПК, дальнейшее увеличение концентрации стока не привело к повышению эффективности очистки в настоящем исследовании. Это можно объяснить высокой концентрацией взвешенных веществ и мутностью, затрудняющими проникновение света и рост биомассы. <…> К сожалению, большие водорослевые очистные сооружения не распространены. Причиной этому могут быть технические трудности, связанные с культивированием микроводорослей и отделением микроводорослей от очищенной воды. Поскольку микроводоросли являются фотосинтетическими организмами, такие параметры, как свет, температура и pH, очень сильно влияют на то, как микроводоросли смогут очищать стоки. Наибольшую трудность представляет поддержание оптимальной температуры, pH, освещенности. Эти моменты должны очень тщательно контролироваться в крупномасштабных системах» [10].

Ученые разных стран занимаются исследованием условий, необходимых для роста Ch. vulgaris. Приведем основные результаты их работы:

— статья «Определение условий роста Ch. vulgaris » (2020): «После оптимизации среды (при +25 °С, pH = 9 и с использованием освещения 24 ч в сутки) лучшие условия роста Ch. vulgaris дают максимальную продуктивность биомассы — 205 мг/л за 10 дней» [20];

— статья «Температура cмешанной культуры Chlorella vulgaris под открытым небом: влияние на концентрацию биомассы» (2019): «Максимальное значение концентрации биомассы (20,8 г ∙ л ^-1 ) в день было достигнуто при средней температуре +30 °С» [21];

— статья «Оптимизация температуры и фотопериодов с целью культивирования Ch. vulgaris для роста и производства биомассы из отходов маниоки» (2024): «Температурные вариации +20, +30 и +35 °С были проверены с целью определения оптимальной температуры для роста и производства биомассы Ch. vulgaris на оптимальной концентрации смеси отходов маниоки. Вариации фотопериода 12 : 12, 6 : 18 и 18 : 6 были проверены с целью определения оптимального фотопериода для роста и производства биомассы Ch. vulgaris на оптимальной концентрации смеси отходов маниоки. ...Оптимальные рост и биомасса были зафиксированы при температуре +30 °С. Фотопериод 12 : 12 отвечал за оптимальный рост, в то время как фотопериод 16 : 8 дал высокий прирост биомассы» [22];

— статья «Изучение оптимальных условий для роста микроводоросли Chlorella vulgaris » (2017): «На сегодняшний день усилия исследователей показывают, что лучшими условиями для культивирования Ch. vulgaris являются миксотрофный режим в пузырьковой колонне фотобиореактора. Глюкоза как источник углерода и нитрат как источник азота имеют наибольшую эффективность. Известно, что наилучшие результаты достигаются при содержании глюкозы и нитрата 20 и 0,5 г/л соответственно. Щелочная среда (pH = 9–10), непостоянное освещение (5000–7000 лк) и аэрация в объеме 200 мл/мин описаны как оптимальные физические условия. Максимальный выход биомассы Ch. vulgaris составил 3,43 г/л, липидов — 66,25 мг/л/сут» [23].

Анализ приведенных результатов исследований позволяет заключить: оптимальными для роста Ch. vulgaris условиями являются температура +25–30 °С, освещенность 5000–7000 лк продолжительностью 24 ч в сутки или 12–16 ч в сутки с использованием аэрации.

III

Метод альголизации предусматривает внесение Ch. vulgaris в водоем зимой под лед через лунку. Так, администрация Камешковского муниципального округа на своей странице в социальной сети сообщает: «16 февраля представителями ООО ПО “Макрос” произведено внесение хлореллы в городской пруд. Следующее внесение запланировано в период с апреля по май. Хочется надеяться на содействие камешковцев в поддержании чистоты вокруг пруда на улице Володарского и бережное отношение к водоемам города».

Какую эффективность для очистки водоема может иметь водоросль Ch. vulgaris, внесенная зимою под лед — при полном отсутствии освещения и температуре не выше +3 °С? Известно о существовании холодотолерантных хлорелл, способных приспосабливаться к температуре +5 °С, хотя при такой температуре не стоит ожидать большой эффективности.

Например, в статье «Резкое охлаждение стимулирует микроводоросли к производству полезных компонентов», опубликованной в 2022 г., говорится: «Две устойчивые к холоду микроводоросли Ch. vulgaris и Scenedesmus sp. были культивирована при +22 и +5 °С. При наименьшей температуре микроводоросли претерпели существенные биохимические и морфологические изменения. …Содержание глюкозы и фруктозы в Ch. vulgaris (выращенной при температуре +22 °С) было очень низким или пренебрежимо малым. Ограниченный, хотя и статистический значимый, рост глюкозы обнаружился при выращивании Ch. vulgaris при температуре +5 °С» [14].

Способна ли Ch. vulgaris расти в темноте?

«Зеленые водоросли, включая Ch. vulgaris , могут расти в темноте, если их подкармливать глюкозой, но темпы их роста при этом сильно отстают от темпов роста при нормальном фотосинтезе», — говорится в научном исследовании «Особое влияние освещения на рост Chlorella vulgaris » [15].

В статье «Физиологические и ростовые реакции Chlorella vulgaris и Scenedesmus subspicatus на ряд условий окружающей среды» отмечается: «Эксперименты по выживанию показали, что часть клеток Ch. vulgaris способна выживать в течение длительных периодов (до 22 недель) в спящем состоянии в полной темноте и при низких температурах (+4 и –20 °С)» [16].

«В зимний период, когда хлорелла не может активно размножаться (из-за низкой температуры воды и/или отсутствия достаточного количества света подо льдом), она практически полностью съедается зоопланктоном», — уточняет реклама альголизации.

Имеет ли подледное внесение Ch. vulgaris в водоемы какой-то смысл? На этот вопрос ответил производитель концентрата Ch. vulgaris .

@AlgotecAqua: «Чтобы дать хлорелле преимущество во времени, мы рекомендуем зимнее внесение (под лед). Тогда весной она успеет занять весь ареал еще до того, как начнут развиваться болезнетворные организмы, такие как цианобактерии».

Успеет ли? Приведем результаты исследований, изучающих данную проблему:

— статья «Фотосинтетические характеристики и физиологическая пластичность зимнего цветения Aphanizomenonflos-aquae ( Cyanobacteria , Nostocaceae ) в глубоком олигомезотрофном озере (озеро Штехлин, Германия)» (2012): «Зимой 2009/2010 Aphanizomenonflos-aquae цвела в покрытом льдом и снегом олигомезотрофном озере Штехлин (также известно как Большое Штехлинзее. — В. С. ) в Германии . <…> Оптимальный фотосинтез находился выше +20 °С при иррадиациях свыше 150 мкмоль·м ^-2 ·с ^–1 . При более низких уровнях иррадиации (7,5–30 мкмоль·м ^-2 ·с ^–1 ) наиболее интенсивный фотосинтез находился в температурном диапазоне +2–5 °С. Взаимодействие между освещенностью и температурой обусловило быстрое размножение Aphanizomenonflos-aquae в озере Штехлин, что привело к зимнему цветению воды в этом олигомезотрофном озере. За все время в исследованиях Aphanizomenonflos-aquae + 2 °С является самой низкой экспериментальной температурой, и результаты измерений P–I и P–T дают новую информацию о толерантности и физиологической пластичности вида» [24];

— статья «Цветения любят похолоднее» (2023): «Мы идентифицировали 37 цветений синезеленых водорослей в холодной воде из различных источников. <…> Условия поверхностных вод во время наблюдения варьировались от подледных до +15 °С, 19 цветений происходили подо льдом. <…> Цианобактериальные цветения, представленные здесь, происходили в озерах, покрывающих весь спектр трофности (основываясь на Carlson TSI): большинство принадлежат к классу эвтрофных (13), мезотрофных (9), олиготрофных (7) и гиперэвтрофных (5)» [25];

— статья «Подтверждение формирования цветения цианобактерий в Балтийском море из зимне-весенних популяций с помощью мезокосмного эксперимента» (2017): «Цианобактериальные цветения в Балтийском море хорошо исследованы… однако условия, предшествующие цветению, особенно набор клеток, до сих пор малоизучены. Aphanizomenon присутствует в воде круглый год (cкрытые виды) и обнаруживается даже подо льдом в Ботническом заливе (часть Балтийского моря между Швецией и Финляндией. — В. С. )… Месячные образцы в южной части Балтийского моря не содержат акинеты этого гена… Таким образом, остающиеся в воде во время зимы вегетативные филаменты достаточны для многолетнего существования (перезимовки) этого вида…» [26];

— статья «Зимнее подледное цветение, сформированное Aphanizomenon gracile Lemmermann» (2019): «Зимнее подледное цветение воды, сформированное Aphanizomenon gracile Lemmermann, наблюдалось в большом пресном водоеме, расположенном на месте бывшего торфяного карьера. В мелкой зоне водорослевая биомасса составляла 301,51 г/м ³ , в то время как в глубокой зоне она достигала 549,73–651,06 г/м ³ » [27].

Более подробно рассмотрим статью «Цианобактериальные цветения тоже любят похолоднее, а не только потеплее» (2023), в которой представлены результаты исследования, проведенного Институтом экологии пресных водоемов и внутренних рыбных промыслов им. Лейбница. «Холодные или теплые воды, одни и те же типы вод, поражены одними и теми же видами цианобактерий. Цианобактериальные цветения наиболее часты в богатых питательными элементами, «хорошо удобренных» водах — в холодных или теплых. Однако они демонстрируют определенные особенности. Например, показывают широкую температурную толерантность и развили специальные стратегии выживания для низких температур, такие как протеины, защищающие от холодного стресса и замораживания, или устойчивые к холоду клеточные стенки, состоящие из ненасыщенных жирных кислот. Некоторые нитчатые цианобактерии изобилуют в зимнее время даже подо льдом благодаря их способности адаптироваться к низким температурам и освещенности. Переживая продолжительные периоды пониженной освещенности, эти таксоны имеют конкурентное преимущество, когда освещенность увеличивается весной…» [28]. Авторы выделяют три типа цианобактериальных цветений в холодной воде в зависимости от того, как они происходят: 1) поверхностные цветения, начавшиеся и продолжающиеся в холодной воде; 2) цианобактериальные цветения, происходящие в так называемом термоклине, где два слоя воды c резким температурным градиентом соприкасаются, и выносимые на поверхность физическими процессами; 3) водорослевые цветения, начинающиеся при теплых температурах и продолжающиеся при низких температурах. «Сильные штормы при смене климата взмучивают водорослевые цветения во время низких температур. Цианобактериальные цветения остаются необнаруженными, поскольку происходят в глубоких водных слоях. Однако штормы могут поднимать их на поверхность» [28]. Научный сотрудник IGB Мина Бицик, соавтор исследования, рассказывает: «Мы могли наблюдать это в озере Штехлин несколько лет назад. Сильный шторм заставил водный столб перемешиваться, цианобактерии поднялись на поверхность массами и ухудшили качество воды в озере на несколько недель. Сильные штормы из-за изменения климата будут происходить чаще» [28]. Кроме того, этот феномен был описан для Цюрихского озера, а также небольших ледниковых озер и резервуаров [28].

Таким образом, общепринятым взглядом на многолетнее существование синезеленых водорослей является зимование в донных отложениях акинет — особых неподвижных и утолщенных клеток, которые служат для переживания неблагоприятных условий (холода, темноты) благодаря накоплению запасных веществ (гликогена, липидов) и пигментов.

На основании приведенных исследований можно заключить, что синезеленые водоросли, например Aphanizomenon , могут зимовать и в толще воды в виде вегетативных филаментов и даже формировать подледные водорослевые цветения. Конкретное преимущество, которое позволило бы Ch. vulgaris весной занять весь ареал вместо синезеленых водорослей, не известно, механизм подобной конкуренции не описан.

Вместе с тем реклама альголизации напоминает: для того чтобы достичь «полного избавления водоема от синезеленых водорослей, процедуру альголизации необходимо повторять пять лет подряд». Биотехнологически выращенная Ch. vulgaris в обычном водоеме сталкивается с недостатком освещенности, низкими температурами, отсутствием аэрации. Еще реклама предупреждает о том, что росту Ch. vulgaris вредят «сильные подавляющие токсины».

В свою очередь, отечественные ученые в статье «Оценка качества донской воды ниже места впадения реки Темерник по индексу сапробности и данным биотестирования», опубликованной в 2022 г., делятся следующими результатами: « Относительная численность синезеленых водорослей колебалась в пределах от 45,83 до 77,77 %. Более высокий уровень органического загрязнения в теплый период (май — сентябрь) был свойственен поверхностному горизонту, а в холодный период (апрель, октябрь и ноябрь) — глубокому горизонту. Токсическое действие речной воды проявлялось в угнетении роста Ch. vulgaris. В течение 7 месяцев исследований токсичность воды была неравномерна. <…> Колебания токсичности, вероятно, связаны с разным временным характером загрязнения реки Темерник сточными водами мегаполиса и с мероприятиями по оздоровлению реки Темерник, проводимыми администрацией города» [17].

Обыкновенная река, в которую периодически стекают плохо очищенные городские стоки, — картина довольно распространенная.

Выводы

1. Биотехнологическое культивирование Ch. vulgaris требует соблюдения строгих условий: освещенность до 7000 лк продолжительностью 24 ч в сутки или продолжительностью 12–16 ч в сутки с использованием аэрации, температура от +25 до +30 °С, pH = 9, искусственная аэрация. В таких условиях суточный прирост биомассы Ch. vulgaris исчисляется десятками граммов на кубометр.

2. Эффективное извлечение из загрязненного стока питательных элементов (азот, фосфор) зависит от ежесуточного прироста биомассы Ch. vulgaris . По показателю концентрации фитопланктона для водоемов прирост биомассы, составляющий десятки граммов на кубометр в сутки, соответствует классу эвтрофных водоемов, сильнозагрязненной воды и сильнейшего водорослевого цветения.

3. Обязательным условием является отделение биомассы от очищенного стока. В дальнейшем биомасса может быть использована в производстве биодизеля, удобрения, кормов для скота и т. д.

4. При подледном внесении конкурентные преимущества Ch. vulgaris перед синезелеными водорослями в условиях подледного зимования не очевидны. Механизм, позволяющий Ch. vulgaris занять весной ареал вместо синезеленых водорослей, не описан.

Заключение

Итоги трех частей публикации «Альголизация: правда и мифы о биологической реабилитации водоемов водорослями» обобщены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты научного осмысления заявлений рекламы альголизации

Литература:

1. К вопросу об альголизации водоемов / Е. А. Бутакова, Т. Е. Павлюк, О. С. Ушакова [и др.] // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. — 2013. — № 5. — С. 75–84. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/k-voprosu-ob-algolizatsii-vodoemov
2. Романов, Э. В. Цветение водоемов: причины и последствия / Э. В. Романов, А. В. Лелецкий // Достижения науки и образования. — 2019. — № 1 (42). — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tsvetenie-vodoyomov-prichiny-i-posledstviya
3. Sudhanthiran, M. C. Bioremediation of dairy industry wastewater and assessment of nutrient removal potential of Chlorella vulgaris [= Биоремедиация стоков молочного завода и оценка потенциала удаления питательных элементов с помощью Chlorella vulgaris ] / M. C. Sudhanthiran, M. Perumalsamy // Biomass Conversion and Biorefinery. — 2022. — Vol. 14, № 9. — P. 10335–10346. — DOI: 10.1007/s13399-022-03068-x
4. Коновалова, О. А. Фитопланктон как показатель качества воды разнотипных водоемов территории города Омска / О. А. Коновалова // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2010. — № 5. — C 64–67. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fitoplankton-kak-pokazatel-kachestva-vody-raznotipnyh-vodoyomov-territorii-goroda-omska
5. Денисов, Д. Б. Улучшение качества вод арктических регионов — хлорелла: благо или зло? / Д. Б. Денисов // Вестник Гиперборейской академии наук : сб. тр. ГАН. — Апатиты : ГАН, 2016. — № 1. — С. 4–9. — URL: http://discoverkola.com/images/books/Vestnik_GAN_1_2016.pdf
6. Lim, S. L. Use of Chlorella vulgaris for bioremediation of textile wastewater [= Использование Chlorella vulgaris для биоремедиации стоков текстильной фабрики] / S. L. Lim, W. L. Chu, S. M. Phang // Bioresource Technology. — 2010. — Vol. 101, № 19. — P. 7314–7322. — DOI: 10.1016/j.biortech.2010.04.092
7. Bioremediation of Wastewater using Chlorella Vulgaris Microalgae: Phosphorus and Organic Matter [= Биоремедиация сточных вод с использованием Chlorella vulgaris : фосфор и органические вещества] / J. L. S. Fernández, L. P. Rial, R. Maceiras [et al.] // International Journal of Environmental Research. — 2016. — Vol. 10, № 3. — P. 465–470. — URL: https://www.researchgate.net/publication/308795816_Bioremediation_of_Wastewater_using_Chlorella_Vulgaris_Microalgae_Phosphorus_and_Organic_Matter
8. Bioremediation of sewage wastewater through microalgae (Chlorella minutissima) [= Биоремедиация канализационных стоков с помощью микроводоросли (Chlorella minutissima) ] / G. K. Sharma, S. A. Khan, M. Shrivastava [et al.] // The Indian Journal of Agricultural Sciences Environmental Engineering, Climate Change, Phycoremediation. — 2020. — Vol. 90, № 10. — P. 2024–2028. — DOI: 10.56093/ijas.v90i10.107985
9. Nabila, T. I. Physico-chemical properties of tannery effluents from Challawa industrial area in Kano and evaluation of bioremediation potentials of Spirogyra porticalis and Chlorella vulgaris on the effluents [= Физико-химические свойства сточной воды кожевенного завода промышленной зоны Чаллава в Кано и оценка потенциала биоремедиации с помощью Spirogyra porticalis и Chlorella vulgaris ] / T. I. Nabila, S. Ibrahim // Bayero Journal of Pure and Applied Sciences. — 2019. — Vol. 12, № 1. — P. 156–161. — DOI: 10.4314/bajopas.v12i1.26S
10. Sewage Water Treatment Using Chlorella vulgaris Microalgae for Simultaneous Nutrient Separation and Biomass Production [= Очистка канализационных стоков с помощью микроводоросли Chlorella vulgaris в целях параллельной очистки стока и выращивания биомассы] / M. Y. D. Alazaiza, S. He, D. Su // Separations. — 2023. — Vol. 10, № 4. — P. 229. — DOI: 10.3390/separations10040229
11. Changes in CO ₂ concentration drive a succession of toxic and non-toxic strains of Microcystis blooms [= Изменения концентрации CO ₂ вызывают сукцессию вспышек цветения токсичных и нетоксичных штаммов Microcystis ] / J. Jiang, J. Zeng, J. Wang [et al.] // Water Research. — 2024. — Vol. 250. — P. 121056. — DOI: 10.1016/j.watres.2023.121056
12. Effects of Chlorella vulgaris on phosphorus release from ferric phosphate sediment by consecutive cultivation [= Влияние Chlorella vulgaris на высвобождение фосфора из фосфатного комплекса железа в донном осадке при непрерывном культивировании] / L. He, Y. Chen, Sh. Chen [et al.] // Royal Society Open Science. — 2022. — Vol. 9, № 3. — P. 211391. — DOI: 10.1098/rsos.211391
13. Devi Maysitha, A. Effect of Aeration Time on Chlorella vulgaris Growth [= Влияние продолжительности аэрации на рост Chlorella vulgaris ] / A. Devi Maysitha, H. S. Titah // International Journal of Multidisciplinary Research and Analysis. — 2024. — Vol. 7, № 14. — DOI: 10.47191/ijmra/v7-i02-14
14. Cold stress stimulates algae to produce value-added compounds [= Резкое охлаждение стимулирует микроводоросли к производству полезных компонентов] / A. Lindberg, C. Niemi, J. Takahashi [et al.] // Bioresource Technology Reports. — 2022. — Vol. 19. — DOI: 10.1016/j.biteb.2022.101145
15. Killam, A. A Special Effect of Light on the Growth of Chlorella vulgaris [= Особое влияние освещения на рост Chlorella vulgaris ] / A. Killam, J. Myers // Journal of Botany. — 1956. — Vol. 43, № 8. — P. 569–572. — DOI: 10.2307/2438870
16. Bartosh, Ye. Physiological and growth responses of Chlorella vulgaris and Scenedesmus subspicatus to a range of environmental factors [= Физиологические и ростовые реакции Chlorella vulgaris и Scenedesmus subspicatus на ряд условий окружающей среды] : Thesis for the degree of Doctor of Philosophy / Ye. Bartosh. — 2004. — URL: https://eprints.soton.ac.uk/465831/1/1000046.pdf
17. Assessment of the water quality of the Don River downstream from its confluence with the Temernik River based on the saprobity index and bioassay data [= Оценка качества донской воды ниже места впадения реки Темерник по индексу сапробности и данным биотестирования] / M. A. B. Al-Ghizzi, E. N. Bakaeva // Aquatic Bioresources & Environment. — 2022. — Vol. 5, № 2. — P. 7–15. — DOI: 10.47921/2619-1024_2022_5_2_7
18. Коррекция альгоценозов с помощью интродукции хлореллы: анализ попыток использования / Т. Е. Павлюк, А. Н. Попов, О. С. Ушакова [и др.] // Водные ресурсы. — 2023. — T. 50, № 3. — С. 324–333. — DOI: 10.31857/S0321059623030094
19. Принцип действия планктонной хлореллы в водоеме. — URL: https://web.archive.org/web/20240911021041/https://algotec.ru/principle
20. Deniz, I. Determination of Growth Conditions for Chlorella vulgaris [= Определение условий роста для Chlorella vulgaris ] / I. Deniz // Marine Science and Technology Bulletin. — 2020. — Vol. 9, № 2. — P. 114–117. — DOI: 10.33714/masteb.717126
21. Temperature of the mixed culture of Chlorella vulgaris to open sky: incidence in biomass concentration [= Температура смешанной культуры Chlorella vulgaris под открытым небом: влияние на концентрацию биомассы] / N. G. Muñoz, O. G. Alfaro Vives, H. Crespo Sariol [et al.] // Tecnología Química. — 2019. — Vol. 39, № 3. — URL: https://www.redalyc.org/journal/4455/445560283007/html/
22. Nwankwo, U. N. Temperature and photoperiods optimization for the cultivation of Chlorella vulgaris for growth and biomass production from cassava wastes [= Оптимизация температуры и фотопериодов с целью культивирования Chlorella vulgaris для роста и производства биомассы из отходов маниоки] / U. N. Nwankwo, O. K. Agwa // Research Article International Journal of Science and Research Archive. — 2024. — Vol. 11, № 01. — P. 2469–2476. — DOI: 10.30574/ijsra.2024.11.1.0753
23. Investigation of optimal condition for Chlorella vulgaris microalgae growth [= Изучение оптимальных условий для роста микроводоросли Chlorella vulgaris ] / S. Daliry, A. Hallajisani, J. Mohammadi Roshandeh [et al.] // Global Journal of Environmental Science and Management. — 2017. — Vol. 3, № 2, Serial Number. — P. 217–230. — DOI: 10.22034/gjesm.2017.03.02.010
24. Photosynthetic characteristics and physiological plasticity of an Aphanizomenon flos-aquae(Cyanobacteria, Nostocaceae) winter bloom in a deep oligo-mesotrophic lake (Lake Stechlin, Germany) [= Фотосинтетические характеристики и физиологическая пластичность зимнего цветения Aphanizomenon flos-aquae(Cyanobacteria, Nostocaceae) в глубоком олигомезотрофном озере (озеро Штехлин, Германия)] / V. Üveges, K. Tapolczai, L. Krienitz, J. Padisak // Hydrobiologia. — 2012. — Vol. 698, № 1. — P. 263–272. — DOI: 10.1007/s10750-012-1103-3
25. Blooms also like it cold [= Цветения любят похолоднее] / K. L. Reinl, T. D. Harris, R. L. North [et al.] // Limnology and Oceanology Letters. — 2023. — Vol. 8, № 4. — P. 546–564. — DOI: 10.1002/lol2.10316
26. Wasmund, N. Recruitment of bloom-forming cyanobacteria from winter/spring populations in the Baltic Sea verified by a mesocosm approach [= Подтверждение формирования цветения цианобактерий в Балтийском море из зимне-весенних популяций с помощью мезокосмного эксперимента] / N. Wasmund // Boreal Environment Research. — 2017. — Vol. 22. — P. 445–455. — URL : https://www.borenv.net/BER/archive/pdfs/ber22/ber22-445-455.pdf
27. Shcherbak, V. I. Winter under the Ice Water Bloom Formed by Aphanizomenon gracile Lemmermann [= Зимнее подледное цветение, сформированное Aphanizomenon gracile Lemmermann] / V. I. Shcherbak, N. Ye. Semenyuk, M. I. Linchuk // Hydrobiological Journal. — 2019. — Vol. 55, № 5. — P. 20–34. — DOI: 10.1615/HydrobJ.v55.i5.20
28. Neumann, N. Cyanobacterial blooms also like it cold — and not exclusively warm [= Цианобактериальные цветения тоже любят похолоднее, а не только потеплее] / N. Neumann // Leibnitz institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries. — 2023. — URL: https://www.igb-berlin.de/en/news/cyanobacterial-blooms-also-it-cold-and-not-exclusively-warm