Як врятувати Дніпро від цвітіння?

Цвітіння виникає там, де безвідповідально експлуатують річки та озера. Людська діяльність порушує баланс екосистеми, внаслідок чого неконтрольовано розмножуються водорості, які виділяють токсини та забирають кисень у інших живих організмів. В Україні ця проблема привернула більше уваги урядовців та дослідників, коли зацвів Дніпро — важливе джерело питної води та електроенергії в країні.

Квітучий Дніпро

Дніпро — найбільша та найдовша річка України. Важливість Дніпра важко переоцінити: протікаючи низкою регіонів з півночі на південь, він забезпечує питною водою більше половини населення країни.

Дніпро також є унікальною екосистемою, яка підтримує велике біорізноманіття. Тут живуть десятки видів риб, а також занесені до Червоної книги України річковий бобер, норка та видра. Не дивно, що до річки прилягає низка національних заповідників (як-от, Канівський) та ландшафтних парків.

На додаток, Дніпро є незамінним джерелом електроенергії. У 1927—1939-му роках тривала робота над новаторським проєктом ДніпроГЕС-1, що після завершення став найбільшою гідроелектростанцією в Європі. У 1960-х розпочалося будівництво ДніпроГЕС-2. У результаті левова частка річки була зарегульована греблями й перетворена на каскад із шести водосховищ. Відтоді стало можливе судноплавство по всій довжині Дніпра — раніше заважали пороги. Зараз усі ГЕС на Дніпрі виробляють понад 9,4 мільярди кВт енергії щороку — це приблизно 4,5 % від загального видобутку енергії країни.

Водночас така штучна трансформація екосистеми мала й негативні наслідки, наприклад зміну гідрологічного і гідрохімічного режимів річки. Екологиня Олена Білоус досліджує надмірне поширення водоростей у Дніпрі, зокрема в Київському та Канівському водосховищах. На її думку, цей процес сьогодні став проблемою, що вийшла за межі наукового інтересу:

— Це цікавить будь-яку людину, яка щороку спостерігає досить таки потужне цвітіння наших водосховищ.

Дослідниця вже багато років вивчає водорості. Вона розповідає, що вибирати майбутню професію було не важко: Олена народилася у родині біологів, тож цікавитися наукою її заохочували з дитинства. У 2009 році вона вступила до аспірантури і почала працювати в Інституті гідробіології НАН України — установі, яка опікується водними об’єктами країни. Тут вивчають біорізноманіття прісноводних систем, видовий склад гідробіонтів (організмів, які живуть у водному середовищі) та їхню поведінку, проводять молекулярні та клітинні дослідження.

Олена Білоус працює старшою співробітницею відділу санітарної гідробіології та гідропаразитології. Вона та її колеги визначають, в якому стані перебувають водойми в Україні та чи є вони безпечними для гідробіонтів та людей, які ними користуються. Однією з таких загроз здоров’ю водних екосистем є неконтрольований розвиток водоростей.

Олена пояснює, що процес «цвітіння» води був побічним ефектом створення ДніпроГЕС. За її словами, зарегулювання Дніпра обумовило зміну гідрологічних умов, зокрема зменшення швидкості течії води та її проточності, збільшення прозорості води — це одна з причин цвітіння:

— Відбувається більше прогрівання води, відповідно це пришвидшує процеси розмноження водоростей, і тоді ми говоримо про цвітіння.

Крім того, для створення водосховищ затопили низку сіл, а з ними — і значну площу родючих чорноземів, багатих на азот та фосфор. Опинившись під водою, ці надлишкові елементи порушили хімічний баланс водойми й стали їжею для фітопланктону та фітобентосу — одно- та багатоклітинних водоростей, які живуть у товщі води та на дні.

Таке рясне цвітіння Дніпра було очікуваним явищем, а вчені та урядовці вважали, що річка самостійно очиститься. Однак у 1980-х відбувся новий етап цвітіння. Дослідниця каже, що цього разу дисбаланс фосфору й азоту став наслідком використання мийних засобів із високою концентрацією цих сполук. Український уряд тільки починає врегульовувати це питання та планує поетапно обмежувати вміст фосфатів у мийних засобах для побутового і промислового використання з 31 грудня 2023 року.

Олена пояснює, що є й інші джерела надлишкових азоту і фосфору. Ці сполуки потрапляють у Дніпро зі змивами з сільськогосподарських земель, де використовують добрива та інші хімічні засоби, та зі стоками з будинків, які, попри заборону будувати у санітарній зоні, продовжують зводити вздовж берегів річки. Науковиця зауважує, що останнім часом масово відбуваються незаконні «врізки»: приватні підприємтсва несанкціоновано врізаються в каналізаційну ситему і в такий спосіб змивають свої стоки у Дніпро. Не варто ігнорувати й глобальні зміни клімату. Через нетипово високі температури Дніпро, як і більшість річок в Україні, міліє, тож кількість азоту і фосфору, яка вважалася нормальною раніше, зараз є надлишковою.

Як боротися з цвітінням

Олена Білоус каже, що цвітіння — це проблема, з якою стикаються всюди, де громади або безвідповідально ставляться до водойм, або недостатньо обізнані з наслідками, які може мати надмірна експлуатація. Внаслідок страждають як гідробіонти, так і люди, які користуються водоймою. Наприклад, в Україні цвітіння найчастіше викликають ціанобактерії або синьозелені водорості. Вони виділяють низку токсичних речовин, які викликають алергію на шкірі або навіть харчове отруєння чи ураження печінки, якщо випадково ковтнути воду, в якій живуть ці організми. Проте синьозелені водорості можуть нашкодити навіть тим, хто не взаємодіє з річкою безпосередньо: токсини накопичуються в рибі й так потрапляють до організму людини, яка є фінальною ланкою цього харчового ланцюга.

Наслідки цвітіння для риби можуть бути значно драматичнішими, за словами колеги Олени з відділу іхтіології та гідробіології річкових систем Ігоря Абрам’юка:

— Цвітіння води негативно впливає тим, що його збудники виділяють токсини, що згубно впливає на риб та інші водяні організми.

Крім довгострокових стратегій на кшталт підвищення загального рівня екологічної освіченості та покращання законодавчих механізмів захисту водойм, існує досить багато шляхів якнайшвидше зарадити цвітінню та оздоровити екосистему.

Науковиця наводить приклади технологічно розвинених країн, які штучно збільшують проточність річок, застосовують аератори та інші прилади, щоб збагатити воду киснем. Інший ефективний підхід, розповідає Олена, є суто екологічним: запустити у водойму ретельно вирахувану популяцію рослиноїдних риб, які би просто спожили надмірну біомасу водоростей. За таким самим принципом працює концепція біоплато. Це плаваючі платформи з вищих рослин, водоростей, мікроорганізмів. Разом вони утворюють систему, яка очищує воду, поглинаючи біогени та накопичуючи метали й органічні сполуки, які важко розкладаються. Олена розповідає, що співробітникам Інституту гідробіології стало цікаво, чи можна спроєктувати такий біоінженерний ставок із рослин, які забиратимуть із води саме надлишкові азот та фосфор.

Ця ідея надихнула на проведення дослідження «Вплив вищих водних рослин на процеси цвітіння та рибопродуктивність», яке зараз очолює Олена. З досвіду попередніх багаторічних досліджень відомо, що певні вищі водні рослини справді відіграють важливу роль у регуляції балансу гідрохімічних показників у воді Дніпра. Тому молоді вчені хочуть комплексно дослідити вплив вищих водних рослин на екосистему річки. По-перше, її штучно модифікували, тож не можна бути впевненими, що процеси саморегуляції тут протікатимуть так само, як і в природному середовищі. По-друге, одні й ті самі рослини можуть мати двоякий вплив на стан річки.

Наприклад, водяний горіх поглинає азот і фосфор із води, але може негативно впливати на здоров’я популяції риб. Рослина має великі плоди (2-5 см) із чотирма рогами, які займають значну площу на дні водойми, тому деяким рибам немає де відкладати ікру.

Крім того, ще п’ять років тому водяний горіх і сам став загрозою для здоров’я екосистеми Дніпра. Ця реліктова рослина довготривалий час була занесена до Червоної книги України. За цей час вона не лише відновила свою популяцію, а й поширилася Дніпром настільки, що стала провокувати кисневе голодування гідробіонтів і заблокувала окремі місця. Тоді Громада рибалок України звернулася до низки установ, зокрема, до Інституту гідробіології. Олена розповідає, що тоді проводили масштабне дослідження, в результаті якого вирішили виключити водяний горіх із Червоної книги та знищити цю рослину в частині акваторії Дніпра.

Тому співробітники Інституту не поспішають із висновками, оскільки збирають дані в експедиції та систематизують наявні матеріали, які б підтвердили, що це допоможе зменшити або стабілізувати інтенсивність «цвітіння» води у водоймі.

Перевірити гіпотезу

Науковий проєкт сфокусовано на п’яти рослинах. Це водяний горіх, жовті глечики, ряска, сальвінія та пістія, або водяна капуста. Остання — інвазивний вид, який також може неконтрольовано розмножуватись і забирати кисень, як це сталося близько п’яти років тому на Сіверському Донці.

Щоб отримати комплексне уявлення про роль цих рослин в екосистемі Дніпра, дослідники провели експедицію Київським та Канівським водосховищами. Олена розповідає, що вони з командою попередньо вибрали низку локацій для збору даних із різним рівнем та видовим складом вищих рослин:

— Ми їздили в зарості, де був водяний горіх та глечики, були зарості просто водяного горіху, були зарості рогозу. Близько Козаровичів ми знайшли вільну ділянку, якій взагалі не було характерно заростання водяними рослинами. І оці всі станції між собою порівнявши, ми потім зможемо говорити, чи впливали ці рослини на процеси цвітіння.

Протягом восьми днів науковці збирали гідрологічні показники, брали проби на фітопланктон та зоопланктон. Також робили фото з дрона — потім їх порівняли із супутниковими знімками та зробили інтерактивну мапу рослинності Дніпра.

Олена пояснює, що набирала команду з огляду на завдання, які стоятимуть перед дослідниками:

— Я зрозуміла, що для оцінки гідрологічних умов у досліджуваних водних об’єктах та їхньої ролі у водних екосистемах мені потрібен гідролог (або екогідролог). Потім, говорячи про рибопродуктивність, мені необхіден був іхтіолог. Ігор є чудовим визнаним спеціалістом в галузі іхтіології.

Сама Олена вивчає фітопланктон. Аналізувати проби на хлорофіл їй допомагає науковиця Інна Незбрицька. Створенням інтерактивної мапи займається Тарас Казанцев — засновник Spatiolab. Це незалежна команда науковців, ІТ-спеціалістів та інженерів, які проводять наукові та комерційні дослідження, що потребують обробки геопросторових даних.

Науковці досліджували водосховище на човнах і з супроводом Київського рибоохоронного патруля. Патруль давно співпрацює з Інститутом гідробіології, та для команди молодих науковців це був перший досвід такої кооперації. Олена каже, що патрульні не лише возили їх, а й ділилися своїми знаннями акваторії:

— Наприклад, іхтіологу необхідно було вийти з човна, щоб переглянути, яка є риба у тих же заростях. Але рибоохоронний патруль говорить: тут дно мулисте, глибиною один метр. Можна просто втопитися. Це небезпечно. І (допомагали) от навіть такими порадами від людей, які знають цю акваторію в кожному міліметрі. Це було просто безцінно, і ми їм дуже вдячні.

Олена розповідає, що на відміну від багатьох досліджень, коли оплачувати матеріали та експедиції треба було за власні кошти, цей науковий проєкт отримав грант у розмірі 650 тисяч гривень на рік від Національної академії наук України. За словами дослідниці, така фінансова підтримка відчутно розв’язала науковцям руки та дозволила зібрати багато різних даних:

— Нас є п’ять молодих науковців, і нам на відрядження, експедиції необхідні серйозні кошти. А за допомогою цього гранту ми можемо придбати обладнання, техніку, якої нам не вистачає, реактиви.

Безцінні дані

На кожній локації науковці найперше збирали метеорологічні дані, як-от: температура повітря, швидкість та напрям вітру, — це дозволить зрозуміти, чи водорості на певній ділянці з’явилися в результаті цвітіння, чи їх нанесло вітром. Також одразу визначали координати, щоб нанести їх на інтерактивну карту та за потреби повернутися і повторити заміри.

Далі гідролог проєкту Світлана Батог визначає базові гідрологічні та деякі гідрохімічні показники. За допомогою батометра — порожнистого циліндра з клапанами, які закриваються на необхідній глибині, Світлана відбирає пробу води у ковшик. Потім занурює у воду датчики приладу, щоб визначити насиченість розчиненого кисню, температуру води та рівень pH (тобто водневий показник). Відповідні виміри показників проводить на різних глибинах.

Зібрану воду науковці зберігають у сумці-холодильнику, щоб потім в лабораторії визначити додаткові показники. Наприклад, Олена з Інною аналізуватимуть значення хлорофілу і таким чином оцінюватимуть фізіологічний стан планктону, який живе на певній ділянці. Відібрані проби води для оцінки гідрохімічних показників, зокрема фосфору та азоту, обробляють в лабораторних умовах.

Крім гідрохімічних показників, Світлана вимірює гідрофізичні: прозорість за допомогою диска Секкі — це глибина, на якій диск вже не можна побачити крізь товщу води, і колір — забарвленість водойми просто порівнюють із кольорами на спеціальній шкалі. Важливим показником також є швидкість течії. Для цього науковці використовують електромагнітний пристрій із датчиками, які роблять багато замірів із певним часовим інтервалом і видають середнє значення.

Паралельно з цим Ігор Абрам’юк відбирає проби риб за допомогою сачків та малькового волока. Це дасть можливість дослідити видовий склад риб, які живуть на певній ділянці, і зробити висновки про рибопродуктивність:

— Ловлю цьогорічних мальків риб. Таким чином можна буде бачити, яка риба тут нерестилась. Я потім буду цих мальків визначати під мікроскопом.

Поки колеги працюють безпосередньо із водоймою, аналітик проєкту Тарас знімає локації з дрона для інтерактивної мапи:

— Цю карту ми будемо робити по супутниковим даним, які оновлюються щотижня. За супутниковими знімками ми будемо розраховувати місцезнаходження рослинності. Але не будемо бачити, що це саме за тип рослинності, тому що деталізація супутників не дуже висока. Тобто ми не будемо розуміти, що це за об’єкт. Для цього нам потрібно відкалібрувати супутникові дані по даним з дрона. Після цього ми можемо вже (розпізнавати) аналогічні об’єкти по супутниковому знімку на всьому водосховищі.

Таким чином, мапа дозволить лише за супутниковими знімками розуміти, які саме вищі рослини присутні на певній ділянці, яку площу вони займають, та визначити їхню біомасу. Сьогодні карти водосховищ вже готові. В їхній основі — супутникові знімки та карта рельєфу дна річки, на які накладаються кілька шарів. Один маркує точки з експедиції та містить посилання на дані, які тут зібрали. Інший показує, де в акваторії ростуть вищі водні рослини, і дозволяє розрахувати площу, яку вони займають. Інтенсивність забарвлення ще одного шару відображає, наскільки великою є біомаса водоростей на тій чи іншій ділянці. Порівнюючи інформацію з різних шарів та аналізуючи дані в лабораторії, команда науковців зможе побачити певні закономірності.

Проте на цьому робота не завершується — на основі нової інформації вони модифікуватимуть свою гіпотезу і, можливо, виберуть нові локації для збору даних. Або ж знайдуть неочікувану закономірність і включать додаткові показники до плану дослідження, а заміри повторять наступного року. Лише тоді дослідники зможуть підтвердити або спростувати гіпотезу та зрозуміти, чи справді певні рослини можуть зарадити цвітінню Дніпра.

Науковий проєкт, який очолює Олена, — це два роки кропіткої роботи, яка сама собою не вирішить проблему цвітіння, проте допоможе отримати безцінні дані. Вони поглиблять розуміння процесів, що відбуваються у Дніпрі, його гідрологічного режиму та взаємозв’язків між живими організмами. Ці знання дадуть науковцям змогу запропонувати ефективний, а головне сталий шлях зменшення інтенсивності цвітіння Дніпра і загалом допоможуть ухвалювати кращі рішення для підтримки здоров’я екосистеми головної річки країни.