Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Анаэробные процессы деструкции органического вещества в донных отложениях Рыбинского водохранилища и озера Плещеево

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Анаэробные процессы деструкции органического вещества в донных отложениях Рыбинского водохранилища и озера Плещеево"

на правах рукописи.

АНАЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЬБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА И ОЗЕРА ПЛЕЩЕЕВО

Специальность 03.00.18 - Гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Борок - 1996

Работа выполнена в Институте биологии внутренних вод и Институте микробиологии РАН

Научный руководитель -доктор биологических наук Б.Б. Намсараев

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Г. А. Дубинина кандидат биологических наук П. П. Уморин

Ведущая организация - Институт озероведения РАН

Защита состоится "_" _ 1996 г. в_часов

на заседании специализированного совета К 200.02.01 Института биологии внутренних вод РАН по адресу: 152742. Ярославская обл.. Некоузский р-н, Борок.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИБВВ РАН.

Автореферат разослан "_" _ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного - совета кандидат биологических наук

Л. Г. Корнева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Бактериобентос является важным компонентом пресноводных экосистем, главная функция которого заключается в минерализации органических веществ и одновременном восстановлении минеральных соединений. При наличии в грунтах кислорода основная часть органического вещества (ОВ) разлагается аэробными организмами. Однако денные отложения, за исключением тонкого поверхностного слоя, лишены кислорода. В анаэробных условиях для окисления органических субстратов бактерии используют альтернативные акцепторы электронов: сульфаты, нитраты, окисленные соединения железа и марганца, диоксид углерода и простые органические молекулы (Нес№е11. 1984). Анаэробная минерализация ОВ осуществляется сложным сообществом микроорганизмов в несколько этапов: гидролиз полимеров, сбраживание мономеров, образование С02 и СН4. Из-за низкого энергетического выхода катализируемых ими реакций бактерии в анаэробных ассоциациях узко специализированы и находятся в чрезвычайно тесных взаимоотношениях. Исследование таких природных микробных сообществ представляют собой одну из актуальных задач современной водной микробиологии (Заварзин, 1989).

Ранее интенсивность анаэробной деструкцию ОВ в донных отложениях Рыбинского водохранилища и озера Плещеево оценивали по разнице между выделением С02 (суммарной деструкцией) и потреблением 02 (аэробной деструкцией) (Романенко, 1985; Экосистема ____

1989). Подобный подход не всегда точно отражает интенсивность процесса и не позволяет проникнуть в суть реакций бескислородного распада ОВ. Поэтому необходимость проведения исследований в этом направлении и сопоставления результатов с уже имеющимися данными очевидна.

Цель и задачи исследования. Целью работы было проведение комплексной количественной оценки деятельности важнейших функциональных групп бактерий, осуществляющих аэробно-анаэробное окисление органического вещества в донных отложениях Рыбинского водохранилища и озера Плещеево.

Конкретные задачи заключались в следующем: 1) Изучить физико-химические условия донных отложений водоемов как среды обитания микроорганизмов. 2) Количественно оценить уровень развития бактериобентоса. 3) Выяснить закономерности пространственно-вре-

менного распределения аэробных и анаэробных микроорганизмов, участвующих в различных этапах деструкции ОБ. 4) Определить интенсивности важнейших бактериальных процессов: темновой ассимиляции С02, аэробной деструкции, разложения белка и целлюлозы, аце-то- и метаногенеза. сульфатредукции. 5) Оценить роль этих процессов в трансформации ОВ. 6) Выявить изменения в структуре и функционировании бектосных бактериальных сообществ, испытывающих мощное антропогенное воздействие.

Научная новизна. В Рыбинском водохранилище и озере Плещеево проведена количественная оценка роли важнейших функциональных групп бактериобентоса (сапрофитных, целлюлозоразлагающих, ацето-генных, метанобразующих, сульфатвосстанавливающих) в деградации ОВ. Впервые определены скорости разложения целлюлозы и белков, проанализированы образующиеся в этих процессах метаболиты. Показано. что в большинстве грунтов на терминальных этапах анаэробной деструкции ОВ главную роль играет метаногенез. Сульфатредукция менее важна в минерализации ОВ. Образующийся сероводород быстро переходит в другие, в основном, органические, соединения серы. Обнаружено, что в бедных ОВ грунтах большое значение имеют литот-рофные ацетогены, успешно конкурирующие за водород с метаногена-ми.

Установлено, что в зонах поступления сточных вод городов происходит перестройка деятельности сообществ бактериобентоса, выражающаяся в усилении деструкционной роли анаэробов. При возрастании концентрации сульфатов на терминальных этапах анаэробного распада ОВ доминируют сульфатвосстанавливающие бактерии.

Изучение распространения основных групп бактериобентоса и интенсивности осуществляемых ими процессов позволяет понять закономерности формирования и функционирования микробных сообществ, механизмы деградации ОВ, количественно оценить роль бактерий в круговороте углерода и серы в пресных водоемах.

Практическая ценность. Количественные данные о развитии и активности бактериобентоса дают возможность оценить его значение в процессе биологического самоочищения водоемов и могут использоваться в качестве критериев оценки состояния водных экосистем. Изменения в структуре и функциях бентосных микробных сообществ.

происходящие под влиянием антропогенного загрязнения, позволяют очертить зоны наибольшей экологической опасности и прогнозировать возможные последствия неразумного природопользования. Микрофлора грунтов, быстро реагирующая на изменения условий окружающей среды, может служить индикаторами трофического статуса водоемов и степени антропогенного воздействия.

Результаты исследований вошли в научные отчеты: "Влияние сточных вод промышленного комплекса Рыбинского промузла на качество воды в районах Рыбинского водохранилища и р. Волги, прилегающих к водозаборам" и "Оценка состояния и методы защиты акваторий, подверженных техногенному воздействию", выполненных по' заказу региональных органов охраны природы.

Апробация работы. Основные материалы диссертации были доложены на Всероссийской научной конференции, посвященной 300-летнему юбилею Отечественного флота (Переславль-Залесский, 1992), региональном совещании "Современное экологическое состояние Верхней Волги" (Ярославль, 1994), международных конференциях "Экологические проблемы бассейнов крупных рек" (Тольятти, 1993) и "Современные проблемы гидроэкологии" (Санкт-Петербург. 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 работ, и 2 статьи находятся в печати.

Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 227 машинописных страницах, иллюстрированы 46 таблицами и 13 рисунками. Список литературы содержит 83 отечественных и 94 иностранных наименований работ.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа была выполнена на двух водоемах мезотрофного типа -голомиктическом Рыбинском водохранилище и димиктическом озере Плещеево (Романенко. 1985 ; Экосистема .... 1989).

Исследования проводили в различные сезоны (с января по октябрь) в 1990-1993 гг. Пробы придонной воды отбирали батометром Рутнера, грунта - дночерпателями Экмана-Берджи или щтанговым. Изучались поверхностный (0-2 см) и более глубокие слои донных отложений различного типа. Гидрохимические и микробиологические

анализы выполняли при помощи методов, большинство из которых описано в известных руководствах (Романенко, Кузнецов. 1974;- Кузнецов, Дубинина, 1989).

Концентрацию Ог в придонной воде оценивали методом Винклера. Значения Eh и pH донных осадков определяли электрометрически. Содержание Сорг в грунтах анализировали методом мокрого сжигания хромовой смесью. Концентрации растворимых карбонатов и ацетата измеряли газохроматографически (Cochrane, 1975), сульфатов - фотометрически (Ковальцов, Коновалов, 1966). Анализ СН4, Н2. С0г и N2 проводили на хроматографе "Chrom-5". Содержание белка и целлюлозы анализировали колориметрическими методами (Агатова, Андреева. 1980; Updegraff, 1969).

Общее количество и размеры бактериобентоса определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии с предварительной обработкой проб грунта пирофосфатом натрия и ультразвуком (Hobble et al., 1977; Valju, Albright, 1986). При переходе от единиц сырой микробной биомассы к углероду использовали коэффициент 0.11 (Bott. Kaplan, 1986). Количественный учет жизнеспособных бактерий различных физиологических групп осуществляли методом предельных разведений на твердых и жидких питательных средах, с использованием где это необходимо анаэробной техники (Тимакова, 1982; Намсараев, 1984; Кузнецов, Дубинина. 1989). При помощи иммунофлуоресцентных сывороток изучали распространение отдельных видов метаногенов и сульфатредукторов (Гальченко и др., 1988).

Интенсивность поглощения грунтами 02 и выделения С02 измеряли методом изолированных цилиндров (Романенко. Кузнецов, 1974). Скорости темновой ассимиляции С02, образования метана и ацетата, сульфатредукции, разложения целлюлозы и белка в одних и тех же пробах донных отложений определяли радиоизотопными методами с использованием соответствующих соединений 14С или 35S (Намсараев, Иванов, 1982; Кузнецов, Дубинина, 1989; Иванов и др., 1990). В ряде случаев продукцию метана оценивали газохроматографически (Sorrell. Boon, 1992).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

1. Физико-химическая характеристика донных осадков водоемов.

Концентрация кислорода, растворенного в придонном слое воды Рыбинского водохранилища, с января по ноябрь изменялась от 5.6 до 12.7 мг/л. Значения Eh поверхностного слоя грунтов обычно не превышали 200 мВ и понижались с глубиной. Для большинства осадков были характерны нейтральные величины рН (6.7-7.4) и только торфянистые грунты имели более кислую реакцию. Изученные осадки различались по плотности - от 1.05 до 1.88 г/мл и влажности - от 23,5 до 82.3%. Температура на поверхности донных отложений изменялась в пределах 0.1-21°С. Содержание Сорг колебалось от 1.3% в песках до 7.7% в торфянистых илах. Хроматографический анализ газов, выделяющихся из илистых- песков в литорали водохранилища показал, что главными компонентами являются СН4 (60-69%) и Nz (19-30%). Доля С0г не превышала 1%.

С мая по октябрь концентрация 02 в воде литоральной зоны оз. Плещеево находилась в пределах 7.3-13.8 мг/л. В гиполимнионе она изменялась от 11.2 в период весенней циркуляции до 0.3 мг/л во время летней стагнации. Температура поверхностных седиментов в литорали колебалась от 9.8 до 20.7°С, в профундали - от 4.8 до 7.0°С. Величины Eh грунтов изменялись от -105 до 215 мВ. рН - от 6.8 до 7.6. Плотность осадков в литорали и профундали озера составляли 1.75 и 1.09 г/мл, влажность - 30 и 80%, соответственно. Черные илы глубоководной части озера были богаче Сорг (7.6-9.3%), чем прибрежные пески (0.8-3.1%). Таким образом, условия обитания бактериобентоса в литорали и профундали оз. Плещеево различаются. Пески литорали более окислены, содержат меньше ОВ. лучше прогреваются в вегетационный период и постоянно омываются содержащей 02 водой. Кроме того в литорали свет достигает дна, что позволяет развиваться здесь фототрофным организмам.

2. Численность и активность бактериобентоса.

В различных грунтах водохранилища концентрация и средний объем клеток бактерий колебались в пределах 0.7-10.0 млрд. кл/мл и 0.069-0.258 мкм3, соответственно. Микробная биомасса изменялась от 12 до 169 мг С/л и составляла 0.28-1.71% Сорг донных осадков.

Наименьшее содержание бактериобенгоса было характерно для песчаных грунтов центральной части водохранилища, наибольшее - для иловых отложений приустьевых участков рек. Пики в сезонной динамике численности и биомассы микроорганизмов (наибольший в июле-августе) были вызваны поступлением автохтонных и аллохтонных лабильных органических соединений. Важное влияние на развитие бактерий оказывали также весеннее повышение и осеннее понижение температуры. Размах годовых колебаний численности бактерий составлял. в среднем, 2.9, биомассы - 4.7.

Численность аэробных сапрофитов колебалась от 200 тыс. до 52 млн. кл/мл и составляла 0.001-1.19% от общего количества микроорганизмов. определяемого по прямому счету. Наибольшее содержание сапрофитных бактерий выявлялось летом в серых и песчанистых илах приустьевых участков,' наименьшее - в песках и слабозаиленных почвах центральной части водохранилища. Численность анаэробных сапрофитов в верхних горизонтах грунтов была на 1-3 порядка ниже.

В донных осадках оз. Плещеево концентрация и размеры клеток бактериобентоса варьировали в пределах 1.2-6.3 млрд. кл/мл и 0.087-0.213 мкм3, соответственно. Микробная биомасса составляла 11-134 мг С/л или 0.16-2.10% от содержания Сорг в различных грунтах. Максимальных значений численность и биомасса бактериобентоса достигали летом. Размах колебаний этих параметров в илах профун-дали был меньше, чем в песках литорали. Существенных различий в содержании бактерий между этими биотопами обнаружено не было.

Численность аэробных сапрофитов составляла 0.14-22 млн. кл/мл или 0.01-0.97% от общего количества бактериобентоса. В песках литорали она была в 1.7 раз выше, чем в илах профундали. Доля аэробных сапрофитов в структуре бактериоценоза была наиболее велика на участке зарастающей литорали у истока р. Векса. Численность анаэробных сапрофитов была на 1-3 порядка ниже и колебалась в зависимости от сезона и типа грунта в пределах 0.6-250 тыс. кл/мл.

Традиционно интенсивность темновой ассимиляции С02 используется для характеристики общей активности бактериобентоса (Рома-ненко, 1979). Этот процесс осуществляют разнообразные хемоавтот-рофные и гетеротрофные, аэробные и анаэробные микроорганизмы. Его

Скорость образования метана в донных отложениях Рыбинского водохранилища находилась в пределах 0.01-1371 мкл/(л-сут). была высокой в серых илах, скапливающихся по бывшим руслам рек и низкой - в грунтах центральной части водохранилища. Последние характеризуются более окисленными условиями и невысоким содержанием Сорг. Скорость метаногенеза испытывала значительные сезонные флуктуации и была максимальной в августе-сентябре, когда интенсивно происходят процессы распада отмирающего фитопланктона. Основными субстратами метаногенеза были водород и ацетат, которые доминируют среди предшественников метана в большинстве пресных водоемов (Беляев, 1988). Формиат обеспечивал менее 15% суммарной продукции метана. Осенью главным предшественником СН4 становился ацетат, за счет восстановления метальной группы которого в серых илах образовывалось до 83% метана. Высокий коэффициент корреляции (0.98) свидетельствует о наличии между ацетокластическим и суммарным метаногенезом почти линейной связи.

Скорость литотрофного метаногенеза была максимальной в подповерхностных горизонтах иловых отложений, постепенно уменьшалась с глубиной и во всех слоях была ниже скорости ацетогенеза (рис. 2). Последняя достигала максимума на глубине 10-15 см и совпадала с максимумом потребления ацетата метанобразующими бактериями. Численность формиатиспользующих метаногенов и продукция метана из формиата были невелики - не более 30 кл/мл и 6 мкл/(л-сут), соответственно. При пересчете на единицу площади дна здесь за сутки генерировалось почти 7 мл СН4/м2.

Интенсивность образования метана в донных отложениях озера была, в среднем, в 1.5 раза выше, чем в водохранилище и изменялась от 30 до 2780 мкл/(л-сут). В сезонной динамике выделялись весенний минимум и осенний максимум. Как правило, скорость литотрофного метаногенеза была выше, чем ацетокластического. Только осенью в илах глубоководной части озера интенсивность образования метана из ацетата резко возрастала, достигала на глубине 2-5 см 2.68 мл/(л'сут) и превышала скорость метаногенеза из С02+Н2 примерно на 2 порядка. В песках литорали озера из ацетата продуцировалось не более 25% метана.

Полученные нами данные о численности метаногенов и скорости

О мг/л 10

Г ■■ ■- ■— ' — — ц

-30 ЕК.мВ 0 20

МКГСЛ.И.СУТ* 50

Рис. 2. Распределение по глубине ило-отложений в Рыбинском водохранилище (ст. Коприно, 17.7.91): А - ЕЬ

(1), рН (2), концентрации ацетата (3); Б - численности ме-таноОразующих бактерий на средах с целлюлозой (1), ацетатом (2), формиа-том (3); В - интенсивности метаноге-неза из гидрокзрбо-ната (1), ацетата

(2), формиата (3) и ацетогенеза (4).

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО 13400 о2 н2

белок целлюлоза микробная

биомасса

200 197 169

растворимые

низкпмплр.кулярныр

органические ЛЖК

соединения ацетат 6.8 1

н2Б

растворимый

минеральный

углерод

160

сн 1.1

Рис. 3. Схема бактериальной деструкции ОБ в поверхностном слое серого ила в Рыбинском водохранилище (ст. Коприно). Числа в прямоугольниках обозначают концентрации веществ (мг С/л), в окружностях - потоки веществ (мг С/(!й-сут)).

ВЫВОДЫ

1. Общее количество и биомасса бактериобентоса в Рыбинском водохранилище и озере Плещеево колеблются в пределах 0.74-9.97 млрд. кл/мл и 0.10-1.54 г/л. соответственно. Значения этих параметров выше в илах и ниже в песках и слаботрансформированных почвах. В сезонной динамике выделяется летний максимум, связанный с осаждением отмирающих клеток фитопланктона.

2. Показано, что в грунтах водохранилища с высокой скоростью происходит гидролиз полимеров. Интенсивность разложения целлюлозы изменяется от 2.4 до 19.3 мг/(л-сут), достигает максимальных значений в торфянистых грунтах и зависит, главным образом, от поступления целлюлозосодержащего материала и температуры. За сутки в различных грунтах разрушается 1.1-6.855 целлюлозы. Установлено, что основным метаболитом деградации этого полисахарида является С02, в состав которого переходит до 64% углерода целлюлозы. Интенсивность распада более лабильных белков находится в пределах 3.6-12.8 мг/(л-сут) и, как правило, превышает интенсивность деструкции целлюлозы.

3. Скорость литотрофного ацетогенеза изменяется от 0. 52 до 431 мкг С/(л-сут). В результате этого процесса за сутки образуется 0.7-32% ацетата, содержащегося в донных осадках. Обнаружено, что в бедных Сорг песках водохранилища и озера на синтез ацетата водорода используется больше, чем на синтез метана. В более богатых илах главную роль в потреблении водорода играет метаногенез.

4. Установлено, что скорость образования метана значительно варьирует в зависимости от сезона и типа донных отложений и достигает в водохранилище 1.37, а в озере - 2.78 мл СН4/(л-сут). Основными субстратами метаногенеза являются водород и ацетат. Продукция метана резко возрастает осенью, когда в серых и черных илах 57-96% метана образуется из ацетата. Метаногены играют ведущую роль на терминальных этапах анаэробной деструкции ОВ.

5. В большинстве грунтов сульфатвосстанавливающие бактерии вносят меньший вклад в минерализацию ОВ, чем метанобразующие, что связано с невысоким содержанием сульфатов и острой конкуренцией за субстраты. Максимальная интенсивность сульфатредукции состав-

ляет в водохранилище 0.64. а в озере - 1.74 мг Б/(л-сут). Показано. что образующийся в результате деятельности бактерий сероводород быстро переходит в другие менее восстановленные соединения, в основном, органическую и элементную серу.

6. В донных отложениях водохранилища интенсивность минерализации ОВ составляет, в среднем. 439 мг С/(мг-сут). 82% из которых распадается за счет деятельности анаэробов. 50% суммарного количества С02 и СН4, образующегося 'в изученных анаэробных процессах, приходится на деструкцию целлюлозы, 17% - на деструкцию белка. 23% - на метаногенез и 10% - на сульфатредукцию.

7. В зонах поступления промышленно-коммунальных сточных вод численность анаэробных бактерий и интенсивность осуществляемых ими процессов заметно возрастают. Максимальная скорость метаноге-неза составляет 60 мл/(л-сут). При увеличении содержания сульфатов возрастает интенсивность сульфатредукции, достигающая 3.7 мг БЛл-сут). Происходит перестройка анаэробного бентосного сообщества с метаногенного на сульфидогенное.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Косолапов Д.Б. Микробиологические процессы распада органического вещества в донных осадках озера Плещеево // Тр. Всерос. науч. конф., поев. 300-летн. юбилею Отечеств, флота. Перес-лавль-Залесский. 1992. Вып. 3, С. 68-77.

2. Дзюбан А.Н., Косолапов Д.Б. Микробиологическая характеристика оз. Плещеево // Там же, С. 58-68.

3. Дзюбан А.Н., Косолапов Д.Б. Изменения в функционировании бактериобентоса как системы на участках антропогенного воздействия // Тез. докл. международ, конф. "Экологические проблемы бассейнов крупных рек", Тольятти: ИЭВБ РАН. 1993, С. 69-70.

4. Косолапов Д.Б. Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в донных осадках Рыбинского водохранилища // Биол. внутр. вод, информ. бюлл.. 1995. N 98. С. 3-7.

5. Косолапов Д.Б.. Намсараев Б.Б. Микробиологическое образование метана в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Микробиология. 1995, Т. 64. N 3, С. 418-423.

6. Косолапов Д.Б. Вклад анаэробных бактериальных процессов в деструкцию органического вещества в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Матер, международ, конф. "Современные проблемы гидроэкологии", С.-Петербург, 1995, С. 30.

7. Дзюбан А.Н., Косолапов Д.Б. Бактериобентос как показатель хронического антропогенного воздействия на водные экосистемы // Там же, С. 18.

8. Косолапов Д.Б., Намсараев Б.Б. Интенсивность разложения целлюлозы в донных осадках Рыбинского водохранилища // Биол. внутр. вод. 1996, N 1. С. 12-16.

9. Косолапов Д.Б., Намсараев Б.Б. Сульфатредукция в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Биол. внутр. вод. 1996 (в печати).

10. Косолапов Д. Б., Намсараев Б.Б. Микробный метаболизм органического углерода в донных отложениях Рыбинского водохранилища // Гидробиол. журн., 1996 (в печати).