Наука спасать озера

Лимнология давно переросла терминологически предписанный ей объект исследования — озера («лимне» с греч. «озеро»), и занимается всеми внутренними водоемами. Каждые три года Международного общество лимнологии собирает своих членов в разных странах мира, чтобы обсудить прогресс в изучении озер, рек и водохранилищ. Для меня съезд лимнологов в Китае стал уже пятым. Изначально лимнология, во многом, сугубо практическая наука: нужно уметь предсказывать наводнения или засухи, контролировать качество воды для различных нужд, знать где, когда и в каком количестве ловить рыбу. Со временем лимнология обогатила свой арсенал средств и методов. Информация со спутников помогает оценить распределение и биомассу фотосинтезирующих организмов. Автономные погружные датчики позволяют в непрерывном режиме получать информацию о физических и химических характеристиках. Масс-спектрометры, хроматографы, секвенаторы — дают невиданную ранее точность в измерении биохимических и генетических параметров. Однако задачи лимнологии, как науки, остались прежними. Для каждого конкретного водоема нужно уметь предсказывать его реакцию на различные внешние воздействия. Понимаем как будет изменяться озеро при увеличении загрязняющих стоков или изменившемся климате? Значит знаем управляющие факторы и при необходимости можем контролировать состояние водоема. Подготовка и участие в научной конференции идут по стандартной схеме. Пишешь тезисы, оплачиваешь оргвзнос, бронируешь гостиницу и авиабилеты, при необходимости оформляешь визу. Начиная с какого-то времени, почти все делается на автомате. В этот раз система почти дала сбой. Подвела логистика. «Скоростные поезда из Пекина в Нанкин ходят каждые полчаса, не будем бронировать, на месте возьмем», — так я за пару недель до конгресса обнадежил коллегу, с которым мы вместе летим из Красноярска в Китай. «Нет, на этот поезд билетов нет. На этот тоже. А вот здесь осталось только два билета первого класса, — терпеливо отвечал на наши недоуменные вопросы кассир в 5 утра на Южном вокзале Пекина. — Хорошо, два билета первого класса; простите, но ваша карточка не работает, ваша тоже». Первый попавшийся банкомат тоже не захотел признавать российские карты. Следующий оказался более дружественным к российским ученым. Пять с половиной часов на скорости 260 километров час, и мы в Нанкине. Мой настрой на весь съезд задается программным докладом президента общества. В этот раз, помимо традиционных цифр о количестве членов общества, доле молодых ученых и финансах канадец Ив Прери (Yves Prairie) отметил два момента. Во-первых, теория и практика в лимнологии разошлись слишком далеко, и, зачастую, контакт с политиками и лицами принимающими решения утерян. Эта мысль в той или иной форме прозвучала во многих выступлениях. Вплоть до утверждения: «Политика, основанная на фактах и научных рекомендациях, находится под угрозой по всему миру». Во-вторых, лимнология стала слишком сложной для коммуникаций, что увеличивает разрыв между учеными и обществом. Так что можно считать этот материал одной из попыток решения, как минимум, второй проблемы. Еще одним ярким впечатлением этого съезда стали китайские ученые. После одного из докладов по близкой мне тематике я задал вопрос китайской аспирантке. Плохая акустика, мой разговорный английский или ее способность воспринимать на слух — скорее всего все вышеперечисленное. Ответ на вопрос я не получил. В ближайший перерыв ко мне подошла молодая китаянка: «Простите, моя коллега не смогла ответить на ваш вопрос. Большое спасибо за интерес к нашей работе. Сейчас я ее позову, мы вам все расскажем». Мы обсудили все вопросы, и я почти забыл об эпизоде. На следующий день к двум аспиранткам присоединился пост-док — вновь благодарности, извинения и разговор. В конце концов, на финальном ужине, я был окружен всей лабораторией во главе с профессором. Похожим образом вела себя и другая китайская молодежь. Не стесняясь, они подходили во время перерывов на кофе или вечерних активностей, заводили разговор о своей работе и науке в целом. Такой мотивации и нацеленности на научное общение я не встречал на съездах общества в других странах. Вернемся к практической стороне современного озероведения. Лучше всего рассказать о проблемах и достижениях науки на конкретном примере. В программе конференции был один экскурсионный день. Среди списка этнографических и исторических достопримечательностей я, конечно же, выбрал поездку на озеро Тайху — третий по величине водоем Китая. Поиск в базах данных научных публикаций выдает чуть более 2600 статей по Тайху. Научный интерес имеет вполне понятное объяснение. Территория вокруг — одна из самых плотно населенных в мире, с развитым сельским хозяйством и промышленостью. Для почти 30 миллионов человек озеро — источник питьевой воды. «Около двадцати лет назад грянул кризис. Качество воды стало настолько низким, что очистные сооружения перестали справляться. Несколько городов на пару недель остались без водоснабжения. После этого на озере развернули масштабные исследования», — рассказывает нам Ханс Перл (Hans Paerl), американский исследователь, который уже около десяти лет помогает китайским ученым разобраться в экосистеме озера. Проблема китайского озера, как и многих других водоемов на планете, связана с тем, что туда в больших количествах попадают азот и фосфор. Это, по сути, удобрения для одноклеточных водорослей. Чем, больше питательных элементов в озере, тем больше водорослей. Чем больше водорослей — тем мутнее вода. Но мутность воды — не самое страшное последствие цветения озера. В толще воды фотосинтезируют не только одноклеточные водоросли. Самые «неудобные» для человека, как водопользователя, фотосинтетики — одни из древнейших организмов на земле, цианобактерии. Чем они плохи? Во-первых, многие виды цианобактерий при определенных условиях выделяют в воду нейро- и гепатотоксины. Полулетальная концентрация микроцистина, одного из самых известных токсинов цианобактерий, для человека — 50 микрограмм на килограмм веса. Документированных случаев гибели животных от контакта с такой водой достаточно. В меньших концентрациях эти токсины обладают канцерогенным действием. Если отфильтровать из воды взвесь относительно просто, то избавиться от токсинов сложнее. Соответственно, водоподготовка становится существенно дороже. Даже если забыть про токсины — к слову сказать, не все виды и штаммы цианобактерий токсичны — неконтролируемое развитие одноклеточных вредит озеру. При больших численностях они сбиваются в колонии, выделяют пузырьки воздуха и покрывают поверхность толстой пленкой. Плавающая слизь не дает свету проникать в глубину озера. Как известно, растения без света жить не могут — а значит в толще «темной» воды не могут жить другие одноклеточные водоросли, а на дне (если озеро мелкое) — высшие растения. Нет растений и водорослей — некому производить кислород. Бактерии на дне озера разлагают оседающие остатки водорослей и рачков и создают бескислородные условия. Рыбы и рачки без кислорода погибают. Я еще упускаю из рассмотрения десятки других процессов, которые влияют на судьбу экосистемы. В общем, всего лишь избыточные стоки азота и фосфора, а озеро превращается в вонючую, непригодную для жизни, покрытую толстым слоем слизи и тины лужу. Казалось бы, в чем проблема, надо просто не сливать в озеро азот и фосфор? Дело в том, что питательные элементы поступают в водоемы из очень разных источников — сельскохозяйственные поля, сточные воды, любые нарушения структуры почвы приводят к смыву этих веществ. Строго говоря, почти все водоемы развитых стран испытали на себе эвтрофикацию (так называется описанный выше процесс повышения продуктивности озер за счет избыточного поступления питательных элементов). Как только в водосборном бассейне появляется человек, домашние животные или сельскохозяйственные поля, на которых применяют удобрения — озеро получает дополнительный поток азота и фосфора. Почему с этим сложно бороться? После того как питательные элементы растворились в воде, извлечь их обратно не просто. Представьте, что вы пересолили кастрюлю борща. Как вытащить соль обратно? Можно либо снизить ее концентрацию, взяв кастрюлю большего размера и растворив соль добавочной водой, либо добавить какое-то соединение, которое «вытянет» соль из раствора. Большинство методов по борьбе с избыточной продуктивностью и цветением водоемов основаны на схожих подходах. «Первое, что предложили сделать „инженеры“ — построить большой канал, который увеличит проточность озера, — с усмешкой рассказывает Ганс Перл. — Наши расчеты показали, что проточность водоема увеличится лишь на 10−15%. Это, строго говоря, практически не повлияет на ситуацию. Но решение инженеров было простым, быстрым и не требовало научных исследований, поэтому за него ухватились. Не удивлюсь, если рано или поздно его построят, ведь на нем можно неплохо заработать». Второе странное действо, которое я наблюдал своими глазами — завод по «убийству водорослей». Десятки корабликов собирают по озеру пленку из цианобактерий и свозят ее в один из заливов. Там, в вертикально поставленной трубе, их ждет смерть. Принцип очень простой. Падая в трубу с поверхности озера, из-за разности давления, клетки лопаются и попадают на дно уже в мертвом виде. Особого смысла в этой процедуре нет, так как мертвая биомасса это все равно углерод, фосфор и азот, которые скоро станут доступны для роста новых цианобактерий. Учитывая, что скорость деления клеток одноклеточных организмов в благоприятных условиях — десятки минут, восполнить потери озеро сможет очень быстро. В районе цианобактериальной бойни вода интенсивно аэрируется. Принудительное обогащение воды кислородом — один из стандартных методов снижения последствий цветения. Я уже упоминал, что истощение кислорода около дна озера — одно из последствий цветения. В бескислородных условиях к разложению органики приступают бактерии, побочным продуктом деятельности которых является неприятный запах соединений серы. Впрочем, мертвой органики в этом месте столько, что озеро попахивает даже несмотря на аэрацию. Почему работает подобное предприятие, тоже понятно. Простое решение, которым легко отчитываться перед политиками и населением: «смотрите, мы уничтожаем водоросли». Говорят, что есть еще второй завод, на котором водоросли не просто разрушают и сливают обратно в озеро, а используют собранную биомассу для производства удобрений, метана и биопластика. Это чуть более осмысленный подход. В этом случае избыточные фосфор и азот извлекаются из озера. Но нам это предприятие не показали. Не стоит думать, что странные методы по борьбе с цветением применяют только в Китае. Буквально за месяц до конференции мы с коллегами готовили письмо на одно из российских предприятий. Повод был очень простой. На глаза попалась новость, что для снижения численности цианобактерий в искусственном пруду применяется метод «альголизации». Эту очень странную технологию пропагандируют в России сразу несколько небольших фирм. Для того чтобы в озере не было цианобактерий, они предлагают запускать в озеро зеленую водоросль хлореллу. Кадры с мест применения этой «технологии» — страшный сон для современного водного эколога. В цветущее озеро льется густой концентрат зеленых водорослей. «К сожалению, на рынке есть масса шарлатанов, которые продают магические решения, чтобы противодействовать цианобактериальным цветениям, — отвечает на мой вопрос о хлорелле Мигель Люрлинг (Miquel Lurling), известный ученый из Нидерландов. — Добавление зеленых одноклеточных водорослей не имеет научного обоснования. Хлорелла относится к видам-космополитам, широко распространенным в самых разных водоемах. Добавка этого вида не сказывается на жизни цианобактерий в водоеме». Вернемся к более эффективным подходам. Зачастую азот и фосфор попадают в озеро с впадающими в него реками и ручьями. В месте впадения одной из крупных рек китайцы построили буферную зону — систему искусственных заливных лугов. По факту, это большая рекреационная зона. Главная цель — задерживать и извлекать из воды питательные вещества. Они накапливаются в живности, которая обитает в мелких, заросших травой прудах. В озеро вытекает уже более чистая вода. Зона заливных лугов используется для рыбалки и отдыха. Вокруг обустроены дорожки для бега и прогулок, есть магазинчики. Рядом стоит небольшой научный музей — экспозиции показывают, как работает водная экосистема, почему нужно бороться с загрязнением воды. Одна из точек экскурсии — стационар Института географии и лимнологии Китайской академии наук, где ведутся масштабные исследования поведения экосистемы озера при разных воздействиях. «Сейчас обед, а после пройдемся по стационару», — громко объявляет уже знакомый нам Ханс. На стационаре нет большого зала для обеда сотни человек. Получив ланчбоксы и ставшими привычными палочки, расходимся по комнатам для сотрудников. В одноместном номере трудно разместиться с едой даже втроем. Приходится оккупировать кровати и тумбочки. После обеда быстро осматриваем лаборатории, и — на озеро. Здесь ученые проверяют, в том числе, и биологические методы управления состоянием водоема. Самый известный и простой — добавить в озеро хищную рыбу, что в теории повлечет за собой уменьшение числа мелких рыбок, увеличение числа рачков и снижение концентрации одноклеточных водорослей. Такая «очевидная» цепочка взаимодействий работает не всегда. В баках и отгороженных участках открытой воды ученые тестируют разные комбинации живности, чтобы понять, какой из вариантов даст наибольший эффект по очистке воды и поддержанию ее в нужном состоянии. «На полевой станции созданы все условия для работы. Есть неплохие результаты. Но все это, можно сказать, не имеет смысла, пока не будут снижены потоки фосфора и азота в озеро из городских канализаций, — продолжает рассказ Ханс. — К сожалению, эта необходимая мера так и не была полностью реализована. Избавиться от фосфора и всех форм азота при очистке больших объемов воды не просто. Системы очистки, которые используются в городах вокруг озера, всё еще не настолько эффективны, как хотелось бы». Кто-то скажет — тоже мне проблема в XXI веке, справиться со сточными водами и очистить водоем! Проблема. Во-первых, нужно «вытащить» весь лишний фосфор и азот из впадающих в озере рек и грунтовых вод (естати, во многих случаях даже дожди могут стать неожиданно большим источником избыточных питательных элементов). Во-вторых, нужно что-то сделать с уже попавшим и накопившимся в озере веществами. Их можно связывать в биомассе или химическими реакциями, а после извлекать или удерживать в неактивном виде. В обычной же ситуации, накопившиеся фосфор и азот ежегодно возвращаются в биологический цикл и «вспыхивают» цветением микроводорослей или цианобактерий. «Нидерланды занимают первое место в Европе по строгости контроля сточных вод и последнее по качеству воды в озерах. Всему виной неконтролируемые распределенные источники загрязнения и наследие прошлого — питательные элементы уже накопившиеся в озерах», — рассказывает на тематической секции по контролю цветения цианобактерий Мигель Люрлинг. Загрязнение воды в озерах наблюдается не только в перенаселенном Китае. Америка и Европа пережили пик роста продуктивности озер еще в прошлом веке. Для России самый печальный пример на сегодня — озеро Байкал. На конференции в Нанкине американская исследовательница Мэриан Мур (Marianne Moore) рассказала о работе с иркутскими учеными по исследованию реакции экосистемы Байкала на внешние воздействия. «Мы провели очень простой тест. Измерили содержание фосфора и азота в приповерхностных грунтовых водах около озера, в местах, расположенных ниже баз отдыха. Оказалось, что в Байкал сочится вода, богатая питательными элементами», — говорит Мэриан. Последствия предсказуемы. Если центральная часть Байкала отличается высокой устойчивостью и пока не демонстрирует существенных изменений, то около берегов наблюдаются неконтролируемые цветения водорослей. Чем больше поступит в озеро дополнительных питательных элементов, тем труднее будет их извлекать или контролировать в будущем. И не важно, идет речь о небольшом пруду в Голландии или самом глубоком озере мира. Как утверждает народная мудрость снаряд два раза в одну и ту же воронку не падает. Но мы, как настоящие ученые, почти смогли опровергнуть это утверждение. Покупка обратного билета на поезд до Пекина была отложена «где-нибудь до середины недели». Взглянув на сайт во вторник поняли, билеты стремительно заканчиваются. Пришлось пропускать несколько утренних докладов и в спешном порядке бронировать и выкупать оставшийся первый класс. Все-таки нужно учитывать плотность населения на юге Китая. Ветка Шанхай-Пекин, вероятно, является одной из самых востребованных в мире. Все остальное шло по расписанию. У современных научных конференций сложился свой шаблон проведения. Кроме пленарных, обычных и стендовых докладов, обязательна социальная программа. Приветственная вечеринка в первый день, торжественный обед в середине и прощальный ужин под конец. В августе прошлого года я пригласил с пленарным докладом на международную конференцию по соленым озерам в Улан-Удэ известного датского ученого Эрика Джеппесона (Erik Jeppesen). В два часа ночи, после прощального ужина, в центре Олимпийского парка Нанкина мы обсуждаем с ним и парой аспирантов проблемы и карьерные возможности в водной экологии. «Нас, водных экологов, не так много, нам нужно держаться в месте. По крайней мере, друг другу мы сможем объяснить, как устроены озера и рассказать, как их содержать в чистоте», — говорит во влажную тропическую ночь Эрик. Участие Егора Задереева в 34-ом конгрессе Международной ассоциации лимнологии было поддержано Программой повышения международной конкурентоспособности Сибирского федерального университета, реализуемой в рамках федерального проекта 5−100.