Не разбить водой: «микробный каркас» превратит заброшенные водоемы в лечебные озера

Ученые Сибирского федерального университета и Института биофизики СО РАН совместно с зарубежными коллегами в ходе многолетнего исследования выяснили, что происходит с глубокими природными водоемами при полном перемешивании их слоев. Оказалось, что ключевую роль в восстановлении основных функций микробиоты играет так называемый микробный каркас — набор бактерий, поддерживающих устойчивость экосистемы. Результаты работы могут создать предпосылки для управления природными водоемами и разработки курортных озер с заданными свойствами. Однако поддержание таких объектов потребует сложных инженерных решений, а заявления о лечебных свойствах должны опираться на научные данные, предупредили эксперты.

Из-за чего перемешиваются озера

Исследование проводили на примере озера Шира в Хакасии. В результате полного перемешивания его слоев ядовитый сероводород, который на протяжении многих лет накапливался в глубинных водах, исчез после контакта с верхними слоями. Одновременно существенно изменилась микробиота водоема.

Этот водоем расположен в Северо-Минусинской котловине, его площадь составляет около 35 кв. км, а глубина достигает 24 м, уточнили специалисты. Вода содержит комплекс минералов, в том числе соли натрия и магния, благодаря чему водоем обладает бальнеологическими свойствами. На дне также залегают пласты сульфидной грязи, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактерий. Эта грязь применяется в лечебных целях. Полное перемешивание озера произошло в 2015 году. Его причиной стали раннее таяние льда и сильные ветры.

— Обычно в озерах глубиной более 10 м водная толща разделена на слои. Верхние — теплые, а нижние — более холодные, и кислорода в них меньше. Бывают озера, в которых придонный слой почти не перемешивается с верхними. Там скапливаются ядовитые газы, в частности сероводород, — рассказал руководитель исследования, замдиректора по научной работе Института биофизики СО РАН, профессор кафедры биофизики СФУ Денис Рогозин.

Фото: Денис Рогозин

По его словам, вода на глубине обычно отличается повышенной соленостью, поэтому имеет большую плотность. Из-за этого перемешивание происходит редко, а реакция микробиоты на такие события остается малоизученной. Наблюдать за процессом ученым удалось благодаря многолетнему мониторингу. Современные методы анализа ДНК и другие инструменты позволяют подробно исследовать изменения, происходящие в экосистеме.

— Мы несколько лет отбирали пробы и попали в такое состояние. Можно сказать, повезло, когда произошел резкий «переворот» озера. Оказалось, что в этот период сульфатредуцирующие бактерии, которые производят сероводород, просто исчезли, а потом, когда водоем восстановил структуру, вновь появились, — сообщил Денис Рогозин.

Смешались кони и люди: кто загрязняет Байкал

Воду крупнейшего озера портят неучтенные стоки из выгребных ям и ферм

Как микробы переживают экологический катаклизм

Ценность открытия — в понимании того, что акватория возвращается к норме через сохранение функций. Их после гибели одних микроорганизмов берут на себя другие бактерии, пояснил ученый. Например, после исчезновения части бактерий эти функции выполняли другие представители микробиоты. В результате серный, азотный, фосфорный и другие циклы в озере не прерывались.

Как уточнил специалист, в ходе исследования ученые выявили 21 штамм, сформировавший «микробный каркас» водоема. Он помог микробиоте пережить экологический катаклизм.

Фото: Денис Рогозин

Озера, подобные Шире, представляют собой ценные рекреационные объекты, напомнил исследователь. Ежегодно сюда приезжают тысячи людей, чтобы пройти процедуры, отдохнуть и поправить здоровье. Понимание процессов, происходящих в микробиоме, может помочь разработать механизмы сохранения полезных свойств водоема, а также прогнозировать периоды улучшения или ухудшения качества воды.

В перспективе эти технологии могут дать возможность управлять состоянием озер и целенаправленно формировать определенные свойства, отметил Денис Рогозин. Кроме того, полученные знания могут быть использованы при создании искусственных водоемов с заданными характеристиками — например, на месте заброшенных карьеров и выработанных рудников, а также в небольших морских бухтах и заливах со слабым водообменом.

Как создавать новые курортные водоемы

— Общие закономерности, такие как разделение на кислородную и бескислородную зоны, доминирование серного цикла и наличие функционального микробного каркаса, применимы к другим подобным водоемам. Это позволяет использовать полученные данные для прогнозирования состояния озер, но с учетом местных условий, — рассказал «Известиям» доцент Института экологии РУДН, член общественного совета Базовой организации государств — участников СНГ по экологическому образованию, главный редактор журнала «Ресурсы» Владимир Пинаев.

Сочи черные: как морской курорт портят неочищенными стоками

В Лазаревском районе обнаружили несанкционированный слив из канализации в прибрежные воды

По его словам, создать новые «лечебные» акватории возможно, однако поддерживать их свойства на протяжении десятилетий — отдельная инженерная задача. Кроме того, для масштабирования таких проектов потребуются специальные правовые и экономические механизмы.

— Управление свойствами водоемов вполне реалистично. Специалисты умеют в определенных пределах регулировать соленость, содержание кислорода, поступление органических и минеральных веществ. Эти параметры определяют, какие микроорганизмы могут существовать в разных слоях и какие биохимические реакции при этом будут происходить, — пояснил молекулярный биолог, научный сотрудник МГУ им. М.В. Ломоносова Сергей Харитонов.

Между возможностью управлять микробиологией водоема и созданием «лечебного озера» с заданными свойствами есть принципиальная разница. Сначала необходимо определить, какие параметры отвечают за нужные свойства воды, а затем установить, какие микробные сообщества способны их поддерживать. Если речь идет о лечебных эффектах, их необходимо подтвердить клиническими исследованиями.

— Важно понимать задачи управления свойствами озер. В первом случае речь идет о естественных водоемах с ценной и уязвимой экосистемой. Здесь нужно не «улучшать», а охранять: вести экологический контроль, снижать антропогенную нагрузку, предотвращать загрязнение и проникновение чужеродных видов. Иной подход нужен для техногенных водоемов. При грамотном проектировании им можно придать новую полезную функцию — рекреационную, природоохранную, образовательную, рыбоводную, оздоровительную и так далее, — пояснил директор НИИ биологии озера Байкал Иркутского государственного университета Максим Тимофеев.

Заявления о «лечебных» свойствах водоемов должны опираться на результаты научных исследований. К карьерам, где добывали полезные ископаемые, также следует относиться с особым вниманием: в них могут сохраняться тяжелые металлы и остаточные реагенты, а также наблюдаться повышенная минерализация и избыточная кислотность.