Во всем мире происходит деградация водных экосистем, которая связана с неконтролируемым развитием токсичного фитопланктона. Фитопланктон (фитоценоз) – это сообщество планктонных организмов, которые могут осуществлять процесс фотосинтеза и являются первичным звеном трофической цепи водной экосистемы. Состояние фитоценоза характеризует водоем как объект исследования [1]. Как правило, токсичный фитопланктон в основной массе представлен цианобактериями. Цианобактерии представляют угрозу для здоровья водных экосистем, поскольку при цветении водоемов они выделяют много различных токсинов [2]. В следствие активного развития цианобактерий качество воды стремительно ухудшается, рыба и другие гидробионты массово гибнут, а биоразнообразие водных экосистем неуклонно уменьшается.

Исследование посвящено разработке математических моделей водных экосистем с целью поиска устойчивых режимов эксплуатации водных объектов. Фитирование параметров моделей мы производим на основе экспериментальных данных полученных при эксплуатации водных объектов и в лабораторных модельных экспериментах. Структура применяемых математических моделей водных экосистем основана на уравнениях типа Навье-Стокса, решаемых совместно с задачей адвекции-диффузии-реакции. Также в структуре математических моделей водных экосистем учитываются данные динамики трансформации энергии квантов света в тилакоидных мембранах фитопланктона по измерениям кинетики индукции флуоресценции фотосистемы II [1].

При изучении природы устойчивости водных экосистем используются результаты имитационного моделирования различных режимов эксплуатации водных объектов. В результате предлагаются мероприятия по восстановлению биоразнообразия водных экосистем способствующие увеличению естественной кормовой базы и созданию благоприятных условий для восстановления численности редких гидробионтов.

Одним из объектов имитационного моделирования являются рыбоводно-биологические пруды, используемые для утилизации сточных вод с высоким содержанием органических веществ. Принцип функционирования данных природоподобных очистных сооружений основан на способности водных экосистем к самоочищению. В основу разработанных математических моделей положен принцип неразрывной пищевой цепи от микроорганизмов до высших гидробионтов. При этом скорость самоочищения водных экосистем на прямую зависит от интенсивности фотосинтезирующей деятельности фитопланктона [3-5].

С целью непрерывного мониторинга водных объектов в полевых условиях, мы измеряем флуоресценцию хлорофилла в живых клетках фитопланктона (in vivo) [6]. Для обработки полученных данных применяется кинетическая модель первичных процессов фотосинтеза. Нами апробировано использование модели изолированной фотосистемы II для оценки состояния водных экосистем при обработке измерений индукции флуоресценции проб фитопланктона из прудов бассейна реки Темерник (г. Ростов-на-Дону) [1].

В результате обработки данных полученных при: эксплуатации водных объектов, лабораторных модельных экспериментах и математическом моделировании, энергетическая эффективность продуцирования биомассы фитопланктона, в обслуживаемых нами водоемах, составила в среднем 0,20-0,50 % от интегральной по спектру солнечной радиации, поступающей на поверхность воды. Большая часть этой энергии осталась в экосистеме в виде чистой первичной продукции, которая стала доступной для следующих звеньев трофической цепи.

Предложенный нами комплексный подход к эксплуатации водных объектов позволил сократить энергозатраты на очистку сточных вод в несколько раз, уменьшить углеродный след при культивировании кормовых микроводорослей и обеспечить условия для формирования устойчивых гипертрофных водных экосистем. В которых рыбы осуществляют регулирование концентрации взвешенных органических веществ и популяции фито-зоопланктона. Наличие рыб в экосистеме, имеющих различные пищевые предпочтения, играет важную роль в самоочищении водоемов. Поскольку доказано, что наиболее эффективно самоочищение происходит в экосистемах с хищными рыбами и более разнообразными трофическими цепями. Следовательно, для восстановления биоразнообразия водных экосистем целесообразно эксплуатировать водоемы с максимальной для данной климатической зоны биопродуктивностью. В то же время, устойчивость гипертрофных водных экосистем должна поддерживаться за счет вылова избыточной биомассы гидробионтов в количествах эквивалентных поступлению из внешней среды в водные объекты органических веществ и биогенных элементов (азота и фосфора).



Список литературы

1. Беляева Н.Е., Булычев А.А., Пащенко В.З., Клементьев К.Е., Ермаченко П.А., Конюхов И.В., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Динамика процессов в тилакоидных мембранах водорослей in vivo, изучаемая в моделях фотосистемы II и тилакоида по измерениям индукции флуоресценции // Биофизика. 2022. Т. 67. № 5. С. 877-896 (2022).

2. Chorus, I. & J. Bartram. Toxic cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences, monitoring and management. E & FN Spon, London (1999).

3. Субботина Ю.М. Технология выращивания молоди карпа в рыбоводно-биологических прудах: автореферат к.с-х.н. 06.02.04. М.:ТСХА– 28 с (1993).

4. Ермаченко П.А., Середин Д.С., Зверева Н.А., Буханцов Ю.В., Соколова Е.А., Дудкин С.И., Булыжев Е.М., Беляева Н.Е., Конюхов И.В. Восстановление естественной способности водоемов к самоочищению // Наилучшие доступные технологии водоснабжения и водоотведения. № 6, с. 52-57 (2021).

5. Ермаченко П.А., Середин Д.С., Соколова Е.А., Дудкин С.И., Головко Г.В., Беляева Н.Е., Конюхов И.В. Производство живых кормовых организмов фито-зоопланктона на очистных сооружениях канализации // Яковлевские чтения-2022: Системы водоснабжения и водоотведения. Современные проблемы и решения. Сборник докладов участников XVII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти академика РАН С.В. Яковлева. Москва. С. 160-166 (2022).

6. Pires М.D. Evaluation of fluorometers for the in situ monitoring of chlorophyll and/or cyanobacteria // Deltares, B1203593-000-ZWS-0004, (2010).

Degradation of aquatic ecosystems is taking place all over the world, which is associated with the uncontrolled development of toxic phytoplankton. Phytoplankton (phytocenosis) is a community of planktonic organisms that can carry out the process of photosynthesis and are the primary link in the trophic chain of an aquatic ecosystem. The state of phytocenosis characterizes the reservoir as an object of research [1]. As a rule, toxic phytoplankton in the bulk is represented by cyanobacteria. Cyanobacteria pose a threat to the health of aquatic ecosystems, since they emit many different toxins during the flowering of reservoirs [2]. As a result of the active development of cyanobacteria, water quality is rapidly deteriorating, fish and other aquatic organisms are massively dying, and the biodiversity of aquatic ecosystems is steadily decreasing.

Research is dedicated to the development of mathematical models of aquatic ecosystems in order to find sustainable modes of operation of water bodies. We perform fitting of model parameters on the basis of experimental data obtained during the operation of water bodies and in laboratory model experiments. The structure of the mathematical models of aquatic ecosystems is based on the advection-diffusion-reaction problem. Also, the structure of mathematical models of aquatic ecosystems takes into account the data of the dynamics of the transformation of the energy of light quanta in the thylakoid membranes of phytoplankton by measurements of the kinetics of fluorescence induction of photosystem II [1].

When studying the nature of the stability of aquatic ecosystems, the results of simulation modeling. As a result, measures are proposed to restore the biodiversity of aquatic ecosystems.

One of the objects of simulation modeling are fish-breeding and biological ponds. Which are used for the disposal of wastewater with a high content of organic substances. The principle of functioning of these nature-like treatment facilities is based on the ability of aquatic ecosystems to self-purification. The mathematical models developed by us are based on the principle of an unbroken food chain from microorganisms to higher hydrobionts. At the same time, the rate of self-purification of aquatic ecosystems directly depends on the intensity of photosynthetic activity of phytoplankton [3-5].

In order to continuously monitor water bodies in the field, we measure chlorophyll fluorescence in living phytoplankton cells (in vivo) [6]. A kinetic model of primary photosynthesis processes is used to process the data obtained. We have tested the use of the isolated photosystem II model for assessing the state of aquatic ecosystems, using the example of measurements of fluorescence induction of phytoplankton samples from ponds in the Temernik River basin (Rostov-on-Don) [1].

The efficiency of the production of phytoplankton biomass in the reservoirs served by us averaged 0.20-0.50% of the spectrum-integral solar radiation coming to the water surface. Most of this energy remained in the ecosystem in the form of pure primary products.

The integrated approach proposed by us to the operation of water bodies has made it possible to reduce energy consumption for wastewater treatment by several times, reduce the carbon footprint during the cultivation of forage microalgae and provide conditions for the formation of stable hypertrophic aquatic ecosystems. In which fish regulate the concentration of suspended organic substances and the population of phyto-zooplankton. It has been proven that self-purification is most effective in ecosystems with more diverse trophic chains. Therefore, in order to restore the biodiversity of aquatic ecosystems, it is advisable to exploit reservoirs with the maximum bio-productivity for this climatic zone. At the same time, the stability of hypertrophic aquatic ecosystems should be maintained by catching excess biomass of hydrobionts in amounts equivalent to the intake of organic substances and biogenic elements (nitrogen and phosphorus) from the external environment into water bodies.



References

1. Belyaeva N.E., Bulychev A.A., Pashchenko V.Z., Klementyev K.E., Ermachenko P.A., Konyukhov I.V., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Dynamics of processes in thylakoid membranes of algae in vivo, studied in photosystem II and thylakoid models by measurements of fluorescence induction // Biophysics. 2022. Vol. 67. No. 5. pp. 877-896 (2022).

2. Chorus, I. & J. Bartram. Toxic cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences, monitoring and management. E & FN Spon, London (1999).

3. Subbotina Yu.M. Technology of growing young carp in fish-breeding and biological ponds: abstract candidate of agricultural sciences 06.02.04. M.:TSHA- 28 s (1993).

4. Ermachenko P.A., Seredin D.S., Zvereva N.A., Bukhantsov Yu.V., Sokolova E.A., Dudkin S.I., Bulyzhev E.M., Belyaeva N.E., Konyukhov I.V. Restoration of the natural ability of reservoirs to self-purification // The best available technologies of water supply and sanitation. No. 6, pp. 52-57 (2021).

5. Ermachenko P.A., Seredin D.S., Sokolova E.A., Dudkin S.I., Golovko G.V., Belyaeva N.E., Konyukhov I.V. Production of live feed organisms of phyto-zooplankton at sewage treatment plants // Yakovlev readings-2022: Water supply and sanitation systems. Modern problems and solutions. Collection of reports of participants of the XVII International Scientific and Technical Conference dedicated to the memory of Academician of the Russian Academy of Sciences S.V. Yakovlev. Moscow. pp. 160-166 (2022).

6. Pires М.D. Evaluation of fluorometers for the in situ monitoring of chlorophyll and/or cyanobacteria // Deltares, B1203593-000-ZWS-0004, (2010).