Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Бактериобентос - как компонент экосистем водоемов 7
1.1 Донные отложения - среда обитания бактериобентоса 7
1.2 Бактериальное население донных отложений как компонент экосистемы водоема 16
1.3 Критерии оценки состояния экосистемы водоема по показателям бактериального сообщества донных отложений 29
ГЛАВА 2 Объект, материалы и методы исследования 35
2.1 Природные условия района исследований 35
2.1.1 Гидрологические и гидрохимические показатели водохранилища Бугач 36
2.1.2 Биологическая характеристика 44
2.2 Методы отбора; анализа и обработки проб 48
ГЛАВА 3 Количественные характеристики бактериобентоса водохранилища Бугач 52
3.1 Многолетняя динамика численности бактериобентоса 52
3.2 Сезонный цикл развития бентоса 61
ГЛАВА 4 Развитие бактериобентоса и его связь с факторами среды 81
ГЛАВА 5 Анализ качества донных отложений водохранилища Бугач 108
5.1 Качество грунтов 108
5.2 Токсичность грунтов водохранилища 116
5.3 Морфологическое разнообразие бактериобентоса 120
5.4 Оценка состояния экосистемы 126 ВЫВОДЫ
- Бактериальное население донных отложений как компонент экосистемы водоема
- Природные условия района исследований
- Многолетняя динамика численности бактериобентоса
Введение к работе
Актуальность исследований. Создание водохранилищ нарушает функционирование биоценозов рек и приводит к изменению составляющих экосистемы. Для оценки подобных изменений необходимы систематические и комплексные наблюдения за компонентами экосистемы.
В этом случае чрезвычайно важен правильный выбор объектов исследования. Поскольку учитывать все компоненты биоты сложно, целесообразно сосредоточить внимание на некоторой части экосистемы (модельном объекте), структура и функционирование которой отражали бы особенности состояния всей биоты. Весьма перспективны в данном отношении микробиальные сообщества донных отложений, так как в донных осадках накапливается и трансформируется большая часть загрязняющих веществ. Бактериобентос отличается видовым и экологическим разнообразием и обладает быстрой реакцией вследствие коротких жизненных циклов. Сообщества микроорганизмов быстро и четко реагируют на любые, даже незначительные изменения среды обитания. Все это свидетельствует о том, что бактериобентос может оказаться одним из наиболее удобных объектов для экспресс-диагностики состояния экосистем (Баканов, Флеров, 1998).
Актуальность работы обусловлена недостаточной изученностью многочисленных малых природных водохранилищ рыбоводного и рекреационного использования. Представлены микробиологические исследования проводили в совокупности с комплексными гидробиологическими работами.
Цель работы: изучение структурной организации сообщества бактерий донных отложений, анализ динамики его развития на основе выявления связей с компонентами экосистемы водохранилища Бугач.
Для достижения цели были определены следующие задачи:
- установить уровень развития бактериобентоса (2001-2004 гг.);
выявить временную динамику структурных показателей бактериобентоса в сезонном и межгодовом аспектах;
- проанализировать статистические связи бактерий донных отложений
с факторами среды;
; - оценить качество и токсичность донных отложений;
- проследить состояние экосистемы водохранилища Бугач по
микробиологическим показателям.
Работа выполнена в Красноярском государственном аграрном
университете в 2001-2007 гг. В работе дополнительно использованы
материалы, предоставленные лабораторией экспериментальной
гидроэкологии ИБФ СО РАН и научным руководителем. Достоверность полученных данных обеспечена большим объемом собранного фактического материала и последующей его статистической обработкой.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в бассейне р. Енисей проведено изучение бактериального населения донных отложений малого водохранилища в рамках экологического мониторинга, установлены закономерности его развития в межгодовом и сезонном аспектах, дана оценка качества донных отложений. Впервые при оценке состояния экосистемы малого рекреационного водоема применены оценки распределения численности бактериобентоса и использована обобщенная классификация качества донных отложений.
Защищаемые положения:
Временная динамика структурных показателей бактериобентоса малого рекреационного водохранилища проявляется в изменении величин плотности и в размахе их колебаний по годам, сезонная динамика общей численности бактериобентоса характеризуется весеннее-летними пиками..
К факторам, определяющим развитие бактериоценозов донных отложений водохранилища Бугач в зависимости от особенностей года относятся: абиотические (температура и рН воды, содержание
азота, фосфора и растворенного в воде кислорода) и биотические (общая численность бактериопланктона, количество бактерий водной толщи на среде РПА, количество живых клеток и пустых оболочек водорослей Anabaena).
3. По показателям бактериального сообщества оценены качество
1 донных отложений и их токсичность, отмечена стабильность
; состояния экосистемы водоема.
4. Оценка состояния экосистемы водохранилища Бугач по показателям
бактерий донных отложений адекватна таковой по показателям
бактериопланктона.
Практическая значимость: данные были получены в рамках темы: «Взаимосвязь критериев биологической оценки качества воды и состояния экосистем водных объектов» и являются частью комплексного экологического мониторинга водохранилища на р. Бугач. Работа поддержана грантами ФЦП "Интеграция" № А0018 и Красноярского Краевого фонда науки.
Полученные данные о бактериальном сообществе используются в работе "Енисейрыбвод". Способы оценки качества грунтов и состояния экосистемы внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров КрасГАУ, ИПК и ПК. Результаты работы могут быть использованы при мониторинге состояния водных объектов и разработке экологических программ регионального уровня и систем природоохранных предприятий.
Апробация работы: Основные результаты исследований отражены в 22 публикациях, а также докладывались на конференциях: международных («Экология Южной Сибири и сопредельных территорий», Абакан 2002, «Современные тенденции развития АПК в России», Красноярск, 2007, «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды», Минск 2007, «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек, водахранилищ», Иркутск 2007), всероссийских
(«Современные проблемы экологии, микробиологии и иммунологии», Пермь, 2002; «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, 2002; «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2003; «Экология и проблемы охраны окружающей среды», Красноярск, 2004; «Аграрная наука на рубеже веков», Красноярск 2005; «Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития», Красноярск 2007), региональных («Актуальные проблемы современной науки и пути их решения», Красноярск, 2002; «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы», Красноярск, 2003; «Экологическое образование для сохранения биоразнообразия», Барнаул, 2003).
Структура работы: Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и библиографического списка. Содержание изложено на 166 страницах машинописного текста, включает 33 таблицы, 16 рисунков, приложения. Библиографический список содержит 236 наименования, из них 27 на иностранном языке.
Бактериальное население донных отложений как компонент экосистемы водоема
Бактериобентос - один из важнейших компонентов пресноводных экосистем. Его главная функция - минерализация растворенных и взвешенных органических соединений. Значительная часть автохтонного и аллохтонного органических веществ, не успевая разложиться в водной толще, осаждается на поверхности донных отложений, где происходит его деструкция.
В водоемах присутствуют представители практически всех физиологических групп бактерий, которые встречаются в воздухе, почве, на растениях и животных. Широкий спектр биохимической активности различных групп бактерий позволяет им использовать в качестве источников энергии вещества и окислительно-восстановительные процессы, которые недоступны другим организмам. Различные физиологические группы микроорганизмов осуществляют деструкцию отдельных углерод-, азот- и фосфорсодержащих органических веществ, как в толще воды, так и в иловых отложениях, используют их в качестве источников питания и энергии (Lazzaretii-Ulmer, Hanselmann, 1999).
При поступлении в донные отложения растворенного кислорода там преобладают процессы аэробной минерализации органических соединений с образованием нейтральных биогенных веществ. В бескислородных условиях протекают процессы анаэробной деструкции с выделением восстановленных соединений, токсичных для гидробионтов (Дзюбан, 2003). Таким образом, в чистом водоеме благоприятном для жизнедеятельности гидробионтов, окислительные реакции должны преобладать над восстановительными (Методика определения..., 1990).
В поверхностных горизонтах донных осадков Рыбинского водохранилища главная роль в деструкции органического вещества принадлежит аэробам. Если допустить, что глубина проникновения кислорода в грунты водохранилища равняется 2 см, то за сутки віл сырого ила в аэробных процессах минерализуется 2,08-9,45 мг Сорг, что составляет 0,02-0,2% его содержания. В поверхностном слое донных отложений вклад аэробных микроорганизмов в суммарную деструкцию равнялся 27-75% (Косолапов, Намсараев, 2000). І Микробиальный процесс круговорота азота составляет важное звено в круговороте вещества и энергии. Микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, по способности окислять или восстанавливать этот элемент подразделяются на азотфиксирующие, аммонифицирующие, нитрифицирующие и денитрифицирующие (Романенко,1985). Аммонифицирующие микроорганизмы представлены в водоемах преимущественно сапрофитами и уробактериями. Скорость образования аммония в донных отложениях в большинстве случаев выше в осадках профундали, чем литорали (Кузнецов, Саратов, Назина, 1985).
Наиболее активно процессы аммонификации и нитрификации протекают в илах и заиленных песках, а высокая численность азотфиксаторов наблюдается в песчаных грунтах. Аммонифицирующими микроорганизмами грунтов являются, например, бактерии рода Clostridium (Романенко, 1985).
Биологическое окисление аммиака до нитритов и нитратов в донных отложениях водоемов осуществляется главным образом представителями облигатных и факультативных хемолитотрофов семейств Nitrobacteraceae и, по- видимому, Methylomonadaceae. Способностью к диссимиляции нитрата до NO2" и NtLj+ обладают многие виды бактерий.
Денитрификационная способность донных отложений обычно на два-три порядка выше, чем водной массы, и максимальная активность процесса зависит от содержания органического вещества, но в сравнении с водной толщей менее связана с трофическим уровнем водоема.
Бактериальная фиксация свободного азота в грунтах водоемов обычно обнаруживается в поверхностном слое до глубины 20 — 25 см. Активность азотфиксации явно связана с концентрацией аммония и с физико-химическими условиями в осадках. К бактериям способным фиксировать азот в грунтах относят род Clostridium.
В илах стратифицированных эвтрофных озер аммиак может накапливаться в избытке, поэтому интенсивность биологической азотфиксации в них, как правило, низка, а иногда не обнаруживается вовсе. В сезонной динамике фиксации свободного азота в грунтах водоемов прослеживается или один летний максимум, или два максимума - весной и осенью (Кузнецов, Саралов, Назина, 1985).
В процессе эвтрофирования водоемов особая роль принадлежит фосфору - одному из важнейших биогенных элементов, необходимых для жизнедеятельности всех организмов. Микробиальные процессы имеют большое значение в круговороте фосфора, так как ни одна из реакций преобразования фосфорсодержащих веществ не идет самопроизвольно, все они в природных условиях совершаются под действием ферментов. Таким образом, фосфор является первоочередным биогенным элементом, лимитирующим первичную продукцию, определяя трофический уровень водоема (Жукова, 2002; Уманская, 2007).
Распределение активных форм фосфатмобилизующих микроорганизмов не определяется глубиной залегания осадка, но зависит от его литологических особенностей. Во влажных поверхностных илах фосформобилизующие и фосфатрастворяющие бактерии обнаружены в 100% проб (Парфенова, 1984).
К микроорганизмам, обуславливающим минерализацию органических соединений фосфора в грунтах, относятся Bacillus megaterium, Pseudomonas liguefaciens, Pseudomonas longa и другие (Романенко, 1979).
Интерес к бактериям, способным окислять углеводороды нефти, связан с распространением в окружающей среде нефтепродуктов. Как оказалось, нефтеокисляющие микроорганизмы встречаются в районах не затронутых антропогенным вмешательством. Нефтеокисляющие и фенолразрушающие бактерии - это обычные гетеротрофные микроорганизмы, широко распространенные в водоемах и в местах особенно сильного загрязнения нефтью (Лаптева, 1973; Романенко и др., 1990; Павлова и др., 2007). Они также присутствуют в биотопах, обогащенных органическими веществами животного и растительного происхождения, т.е. в отдельных ситуациях эти группы бактерий не могут быть индикаторами техногенного загрязнения. Тем не менее их численность при наличии фенолов и нефтяных соединений может возрастать в несколько раз. Обычно в чистых и загрязненных водоемах в грунтах численность фенолразрушающих бактерий 100 тыс. кл/мл и 1 млн. кл/мл, а численность нефтеразрушающих бактерий = 100 кл/мл и 10 тыс. кл/мл соответственно (Виноградов и др., 2002).
Природные условия района исследований
Бактериобентос - один из важнейших компонентов пресноводных экосистем. Его главная функция - минерализация растворенных и взвешенных органических соединений. Значительная часть автохтонного и аллохтонного органических веществ, не успевая разложиться в водной толще, осаждается на поверхности донных отложений, где происходит его деструкция.
В водоемах присутствуют представители практически всех физиологических групп бактерий, которые встречаются в воздухе, почве, на растениях и животных. Широкий спектр биохимической активности различных групп бактерий позволяет им использовать в качестве источников энергии вещества и окислительно-восстановительные процессы, которые недоступны другим организмам. Различные физиологические группы микроорганизмов осуществляют деструкцию отдельных углерод-, азот- и фосфорсодержащих органических веществ, как в толще воды, так и в иловых отложениях, используют их в качестве источников питания и энергии (Lazzaretii-Ulmer, Hanselmann, 1999).
При поступлении в донные отложения растворенного кислорода там преобладают процессы аэробной минерализации органических соединений с образованием нейтральных биогенных веществ. В бескислородных условиях протекают процессы анаэробной деструкции с выделением восстановленных соединений, токсичных для гидробионтов (Дзюбан, 2003). Таким образом, в чистом водоеме благоприятном для жизнедеятельности гидробионтов, окислительные реакции должны преобладать над восстановительными (Методика определения..., 1990).
В поверхностных горизонтах донных осадков Рыбинского водохранилища главная роль в деструкции органического вещества принадлежит аэробам. Если допустить, что глубина проникновения кислорода в грунты водохранилища равняется 2 см, то за сутки віл сырого ила в аэробных процессах минерализуется 2,08-9,45 мг Сорг, что составляет 0,02-0,2% его содержания. В поверхностном слое донных отложений вклад аэробных микроорганизмов в суммарную деструкцию равнялся 27-75% (Косолапов, Намсараев, 2000).
Микробиальный процесс круговорота азота составляет важное звено в круговороте вещества и энергии. Микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, по способности окислять или восстанавливать этот элемент подразделяются на азотфиксирующие, аммонифицирующие, нитрифицирующие и денитрифицирующие (Романенко,1985). Аммонифицирующие микроорганизмы представлены в водоемах преимущественно сапрофитами и уробактериями. Скорость образования аммония в донных отложениях в большинстве случаев выше в осадках профундали, чем литорали (Кузнецов, Саратов, Назина, 1985).
Наиболее активно процессы аммонификации и нитрификации протекают в илах и заиленных песках, а высокая численность азотфиксаторов наблюдается в песчаных грунтах. Аммонифицирующими микроорганизмами грунтов являются, например, бактерии рода Clostridium (Романенко, 1985).
Биологическое окисление аммиака до нитритов и нитратов в донных отложениях водоемов осуществляется главным образом представителями облигатных и факультативных хемолитотрофов семейств Nitrobacteraceae и, по- видимому, Methylomonadaceae. Способностью к диссимиляции нитрата до NO2" и NtLj+ обладают многие виды бактерий.
Денитрификационная способность донных отложений обычно на два-три порядка выше, чем водной массы, и максимальная активность процесса зависит от содержания органического вещества, но в сравнении с водной толщей менее связана с трофическим уровнем водоема.
Бактериальная фиксация свободного азота в грунтах водоемов обычно обнаруживается в поверхностном слое до глубины 20 — 25 см. Активность азотфиксации явно связана с концентрацией аммония и с физико-химическими условиями в осадках. К бактериям способным фиксировать азот в грунтах относят род Clostridium.
В илах стратифицированных эвтрофных озер аммиак может накапливаться в избытке, поэтому интенсивность биологической азотфиксации в них, как правило, низка, а иногда не обнаруживается вовсе. В сезонной динамике фиксации свободного азота в грунтах водоемов прослеживается или один летний максимум, или два максимума - весной и осенью (Кузнецов, Саралов, Назина, 1985).
В процессе эвтрофирования водоемов особая роль принадлежит фосфору - одному из важнейших биогенных элементов, необходимых для жизнедеятельности всех организмов. Микробиальные процессы имеют большое значение в круговороте фосфора, так как ни одна из реакций преобразования фосфорсодержащих веществ не идет самопроизвольно, все они в природных условиях совершаются под действием ферментов. Таким образом, фосфор является первоочередным биогенным элементом, лимитирующим первичную продукцию, определяя трофический уровень водоема (Жукова, 2002; Уманская, 2007).
Распределение активных форм фосфатмобилизующих микроорганизмов не определяется глубиной залегания осадка, но зависит от его литологических особенностей. Во влажных поверхностных илах фосформобилизующие и фосфатрастворяющие бактерии обнаружены в 100% проб (Парфенова, 1984).
К микроорганизмам, обуславливающим минерализацию органических соединений фосфора в грунтах, относятся Bacillus megaterium, Pseudomonas liguefaciens, Pseudomonas longa и другие (Романенко, 1979).
Интерес к бактериям, способным окислять углеводороды нефти, связан с распространением в окружающей среде нефтепродуктов. Как оказалось, нефтеокисляющие микроорганизмы встречаются в районах не затронутых антропогенным вмешательством. Нефтеокисляющие и фенолразрушающие бактерии - это обычные гетеротрофные микроорганизмы, широко распространенные в водоемах и в местах особенно сильного загрязнения нефтью (Лаптева, 1973; Романенко и др., 1990; Павлова и др., 2007). Они также присутствуют в биотопах, обогащенных органическими веществами животного и растительного происхождения, т.е. в отдельных ситуациях эти группы бактерий не могут быть индикаторами техногенного загрязнения. Тем не менее их численность при наличии фенолов и нефтяных соединений может возрастать в несколько раз. Обычно в чистых и загрязненных водоемах в грунтах численность фенолразрушающих бактерий 100 тыс. кл/мл и 1 млн. кл/мл, а численность нефтеразрушающих бактерий = 100 кл/мл и 10 тыс. кл/мл соответственно (Виноградов и др., 2002).
Многолетняя динамика численности бактериобентоса
За многолетний период исследований (2001 - 2004 гг.) показатели бактерий донных отложений (общая численность, количество бактерий на среде РПА, бактерий группы кишечной палочки) малого рекреационного водохранилища Бугач позволили выявить их различные изменения.
В межгодовой динамике развития бактерий донных отложений наиболее высокое значение общей численности наблюдалось в 2001 г. (рисунок 3.1). Общая численность бактериобентоса по средним значениям за сезон снижалась от 1,232 млрд кл/г (2001 г.) до 0,839 млрд кл/г (2002 г.) и 0,802 млрд кл/г (2003 г.) и незначительно увеличилась в 2004 г. до 0,871 млрд кл/г (табл. 3.1). среднем значении за сезон - 1,23 млрд кл/г. В 2002 г. произошло заметное снижение общей численности бактерий донных отложений водохранилища до 0,91 млрд кл/г в мае, 0,76 млрд кл/г в июне, 0,81млрд кл/г в июле, 0,82 млрд кл/г в августе, 0,88 млрд кл/г в сентябре.
Среднесезонное значение общей численности бактерий было 0,84 млрд кл/г. Результаты наблюдений показали, что численность донных бактерий в 2003 г. незначительно отличалась от 2002 г. в мае - 0,97 млрд кл/г, июне - 0,73 млрд кл/г, июле - 0,58 млрд кл/г , августе - 1,00 млрд кл/г, сентябре - 0,72 млрд кл/г, в среднем за вегетационный период - 0,80 млрд кл/г. В 2004 г ситуация изменилась: значения общей численности в июне составляли 1,24 млрд кл/г, в июле произошло снижение до 0,818 млрд кл/г и в августе произошло незначительное увеличение до 0,848 млрд кл/г. Среднесезонное значение - 0,871 млрд кл/г. Общая численность бактериобентоса водохранилища Бугач ниже таковой в Красноярском водохранилище - 2 млрд.кл/г (1978 г.) (Мучкина, 1982), Уводьском водохранилище - 5,01 млрд.кл/г (1995 г.) (Буторин и др., 2002), Рыбинском водохранилище - 2,69 млрд.кл/г (1993 г.) (Дзюбан, Крылова, 2000), в приустьевых участках озера Байкал - 2,0 млрд.кл/г (1992 г.) (Максимов, 1995). Отличия минимальных и максимальных значений общей численности бактерий донных отложений по годам составляла в 2001 г.- 1,1 раза, в 2002 г. -1,2 раза, в 2003 г. - 1,7 раза, в 2004 г. - 1,5 раза.
Очевидно, что исследованные годы отличались условиями существования бактериального населения донных отложений, что подтверждается не только диапазоном колебаний внутри каждого из исследуемых лет, но и коэффициентом вариации общей численности бактерий (табл. 3.1), который изменялся от 5,4 % (2001 г.) до 29,96 % (2004 г.).
Биомасса бактериобентоса в среднем за вегетационный сезон снижалась с каждым годом и составляла в 2001 г. - 0,48 мг/г, в 2002 г. -0,32 мг/г, в 2003 г. - 0,29 мг/г, а в 2004 г. незначительно увеличилась до 0,34 мг/г и изменялась аналогично общей численности бактерий (см. табл. 3.1).
Средние вегетационные значения численности донных бактерий на среде РПА и БГКП изменялись по годам исследования (рис. 3.2, табл. 3.2). Количество бактерий на среде РПА в среднем за вегетационный период составляло от 76,65 тыс. кл/г (2002 г.) до 167,66 тыс. кл/г (2004 г.) и отличалось в 2,1 раза. Средневегетационные значения 2001 г. были на уровне 111,26 тыс. кл/г, в 2003 - 124,61 тыс. кл/г (Мучкина, Батанина и др., 2003).
Рисунок 3.2 - Многолетняя динамика численности бактерий донных отложений на среде РПА и количества БГКП (N, тыс. кл/г) водохранилища Бугач (2001-2004 гг.)
Эти значения близки к результатам наблюдений в Кайракумском водохранилище, где средняя численность данной группы бактерий составила 100 тыс. кл/г (Водохранилища..., 1986).
Сезонная динамика развития донных бактерий на среде РПА по месяцам имеет различный характер. В 2001 г. минимум пришелся на сентябрь, максимум - на август. В 2002 г. минимальные значения зафиксированы в мае и июне, максимальные - в августе. В 2003 г. минимальные значения наблюдались в июне, максимальные - в июле. В 2004 г. минимум отмечен в июле, максимум - в июне (Батанина, Каримова, 2005).
