Экологический мониторинг озера Байкал

Речь идет о проекте долговременного экологического мониторинга озера Байкал, осуществляемом в Научно-исследовательском институте биологии «ИГУ», признанным самым длительным проектом регулярного экологического мониторинга в истории науки и включенным в Книгу рекордов России.

История

В наступающем 2016 г. исполняется ровно 100 лет со времени, когда профессорами Иркутского университета было начато комплексное изучение озера Байкал. С 1916 г. профессором Виталием Чеславовичем Дорогостайским были инициированы полевые исследования озера на исследовательском судне «Чайка», с базы, расположенной в посёлке Большие Коты. Деньги и катер были выделены иркутским меценатом купцом Второвым. В 1918 году базу передали недавно образовавшемуся Иркутскому университету, и в 1923 г. на ее основе был создан Биолого-географический научно-исследовательский институт (будущий НИИ биологии ИГУ).

Естественно, что такой уникальный природный объект как озеро Байкал привлёк интерес исследователей, собравшихся под крышей нового университета. Физики, химики, географы и геологи новорожденного университета активно включались в исследования озера. Не остались в стороне и биологи. Первый декан биологического факультета и второй, после Дорогостайского, директор биостанции Владислав Николаевич Яснитский начинает первые в мировой практике круглогодичные исследования планктона озера Байкал, в том числе и в период, когда озеро скованно льдом. Он открывает уникальное явление подлёдного массового развития фитопланктона, отличающее озеро Байкал от остальных водоемов умеренных широт.

В подавляющем большинстве озер, лежащих в наших умеренных широтах, годовой ход развития планктона имеет следующий вид.

1. Массовое весеннее развитие фитопланктона наступает сразу после схода льда, когда вода богата биогенными элементами (азотом и фосфором в доступных водорослям форме), а солнечного света хватает для фотосинтеза. Далее следует вспышка размножения зоопланктона, питающегося микроводорослями. После чего происходит оскудение верхнего слоя биогенными элементами, обогащение ими нижних слоев воды за счёт оседания и разложения водорослей, а также фекалий зоопланктона.

2. Фаза перемешивания воды, когда верхний слой прогреется за счёт солнечных лучей до 4 °С и ветер сможет перемешать верхний, бедный биогенами, слой с нижним, ими обогащенный.

3. Фаза летнего развития фитопланктона, когда водоросли массово развиваются за счёт вновь поступивших биогенных элементах, следующее за ней летнее развитие зоопланктона, вновь обеспеченного пищей. Повторное оскудение верхнего слоя и обогащение нижнего слоя биогенами.

4. Охлаждение верхнего слоя до 4 °С и перемешивание слоёв вод осенними ветрами. Восстановление запаса биогенных элементов в верхнем слое, прикрытом теперь льдом и снежным покровом, ограничивающих проникновение света и блокирующих развитие фотосинтезирующих водорослей.

Открытие же Яснитского заключалось в том, что первое цветение фитопланктона озера Байкал происходит не после схода ледового покрова, а в подлёдное время, когда озеро сковано льдом метровой толщины, уникальная прозрачность которого не препятствует, тем не менее, фотосинтезу водорослей.

Тогда же учёный обнаружил и новое странное явление – вспышки массового размножения водорослей в тысячу раз по мощности превосходящие обычные, ежегодные и происходящие раз в три-пять лет.

Во время Великой Отечественной войны озеро Байкал интенсивно использовалось как источник рыбы. Именно для оценки рыбопродуктивности озера Михаил Михайлович Кожов (директор БГНИИ в 1931–1970 гг.) начал систематическую работу по тому, что сейчас называют экологическим мониторингом.

Основу питания омуля составляет зоопланктон, поэтому надо следить за видовым составом и численностью зоопланктона. Поскольку зоопланктон питается фитопланктоном – то приходится отслеживать видовой состав и численность водорослей. А раз и те, и другие зависят от внешних факторов – необходимо фиксировать то, что относительно просто определяется, но много значит для населения толщи вод – температуру на разной глубине и прозрачность воды.

С февраля 1945 г. начат непрерывный экологический мониторинг планктонного сообщества озера Байкал – на «Точке №1». Она располагается в открытой части Южного Байкала, на расстоянии 2,7 км от берега (51º52'48'' с.ш. и 105º05'02'' в.д.) над глубиной около 800 м против биостанции НИИ биологии ФГБОУ ВПО «ИГУ» (пос. Большие Коты).

Здесь каждые 7-10 суток с глубины 0, 5, 10, 25, 50, 100, 150, 200, 250 м отбираются пробы фитопланктона, из слоёв 0-5, 5-10, 10-25, 25-50, 50-100, 100-150, 150-250 м отбираются пробы зоопланктона. Затем пробы доставляются в лабораторию, где микроскопируются (учитывается 774 формы зоопланктона и 439 форм фитопланктона). Кроме того, ежегодно с 1945 г. в конце августа-начале сентября научно-исследовательское судно НИИ биологии обходит 69 фиксированных точек акватории озера, собирая пробы фитопланктона, зоопланктона, измеряя температуру и прозрачность воды.

Современные данные

Первые же годы регулярных наблюдений подтвердили Яснитским высокий уровень изменчивости байкальского планктона. Были выделены «урожайные» и «неурожайные» по фитопланктону годы, «богатые» и «бедные» зоопланктоном годы. Сейчас показано, что такие «скачки» биомассы фитопланктона и зоопланктона не являются исключительной особенностью озера Байкал, а наблюдаются и в других бедных биогенами (олиготрофных), имеющих высокую прозрачность, низкую цветность воды, большую глубину, преимущественно горных (альпийских, канадских, новозеландских) водоемах.

Секрет урожайных и неурожайных лет пока еще не раскрыт. Попытки объяснить их чередование внешними факторами (от астрономических до метеорологических) провалились и, скорее всего, это – автоколебания, генерируемые самим планктонным сообществом.

В настоящее время мониторинг планктона озера Байкал ведется уже не для прогноза рыбопродуктивности озера, а для оценки состояния самого планктона Байкала. Дело в том, что качество воды в таком крупном озере определяется (как и в океане) на 90% состоянием его планктонного сообщества. Поэтому до тех пор, пока планктонное сообщество озера функционирует в привычном для озера режиме, до тех пор и фабрика, именуемая «озеро Байкал» производит уникальную по чистоте воду.

Антропогенные воздействия второй половины ХХ века принципиально не повлияли на состояние планктона озера.

Как и во времена Яснитского и Кожова исправно функционируют механизмы самоорганизации планктонного сообщества, продолжаются подлёдные вспышки развития фитопланктона, сопровождаемые размножением зоопланктона, сменяющиеся перемешиванием вод в бесконечно повторяющихся циклах.

Угрозы

Однако раздаются и тревожные сигналы. Байкальская территория всё интенсивнее и, если можно так выразиться, агрессивнее осваивается. Нарастает туристическая активность по берегам озера, возникают новые техногенные опасности, в частности, нарастает поток биогенных элементов (тех самых азота и фосфора, которые лимитируют развитие водорослей. В районах интенсивного туризма (по мелководьям озера, в заливах, сорах) и интенсивной хозяйственной деятельности (на севере Байкала, в районе впадения р. Селенги) начинают доминировать нехарактерные или даже чужеродные для озера Байкал водоросли.

Например отмечается вспышка численности нитчатой водоросли спирогиры, рост численности мужоции, криптомонады, других видов. Массовое развитие видов-вселенцов, например элодеи канадской. Эти изменения явные «симптомы» начала заболевания озера Байкал – увеличению процесса эвтрофирования. (Эвтрофирование – процесс повышении уровня первичной продукции вод благодаря увеличению в них концентрации биогенных элементов, главным образом азота и фосфора. Эвтрофирование ведет к увеличению уровня растворенной органики и снижению качества воды, что в случае с Байкалом напрямую приведет к выдавливанию уникальных эндемичных сообществ и заменой их на обычных обитателей континентальных озер).

Лимнологи всего мира наблюдают проявления глобальных климатических изменений (в первую очередь – изменения температурного режима) на монитируемых ими озёрах.
Происходит даже смена базовой парадигмы лимнологии – если старая парадигма провозглашала, что в озерах процессы носят, по преимуществу, индивидуальный, циклический характер, то новая парадигма лимнологии утверждает, что существуют тенденции, общие для регионов, континентов, и даже планеты в целом.

В частности, для многих озер по всему миру отмечаются «измельчание» фитопланктона – численное преобладание более мелкоклеточных форм над более крупноклеточными (связано со скоростью размножения мелких форм, их большей конкурентоспособностью при росте в более теплой воде). Кроме того, меняется фенология планктона – фитопланктон начинает массово развиваться раньше, чем прежде и «календарно» отрывается от поедающего его зоопланктона, которому достается меньше пищи и в котором происходят также качественные перестройки. Так, среди копепод начинают доминировать циклопы, соотношение копеподы:кладоцеры сдвигается в сторону преобладания кладоцер.

Что будет дальше?

Сейчас на«Точке №1» наблюдается несколько тенденций.

Исследователи наблюдают постепенное повышение доли мелкоклеточных форм летнего неэндемичного фитопланктона и снижение доли крупноклеточного подлёдного эндемичного фитопланктона (за последние 40 лет).

Всё чаще наблюдаются годы, когда в зоопланктоне доминирует не эндемик Байкала – эпишура, а космополитный вид – циклоп. Всё больше в зоопланктоне открытого Байкала встречается кладоцер.

Мониторинг планктона на озере продолжается для того, чтобы убедиться, в достоверности наметившихся тенденций. Если первичные наблюдения подтвердятся на более длительных отрезках времени, то глобальные изменения на самом деле имеют место, и они достаточно серьезны, чтобы даже такая консервативная и инерционная система, как экосистема гигантского озера Байкал заметила их и отреагировала на них соответствующим образом.

На текущий момент проект долговременного мониторинга озера Байкал «Точка №1», осуществляемый НИИ Биологии "ИГУ", не только первый, но и самый длительный (70 лет) проект регулярного экологического мониторинга в истории современной науки. Все собранные за эти годы материалы еженедельных наблюдений внесены в единую базу данных, правообладателем которой является Иркутский государственный университет. Это ценнейший объект интеллектуальной собственности, который имеет огромное научное и прикладное значение. Используя данные 70-летних наблюдений за озером Байкал, можно делать выводы и о многих изменениях, проходящих в последнее столетие, строить прогнозы. 

Учитывая, что в современной науке нет другого сколько-нибудь близкого по объему и длительности наблюдений массива данных, эти материалы имеют глобальное значение и для международного научного и экспертного сообщества. Их необходимо учитывать при формировании политики в области глобального изменения климата, при планировании и организации мероприятий по сбалансированному природопользованию и охране окружающей среды.