Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Деструкционные процессы в донных отложениях интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Деструкционные процессы в донных отложениях интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИШТИГУТ МИКРОБИОЛОГИИ

На правах рукописи

МИХЕЕВ Павел Владимирович

УДК 576.8.639.ЗП

ДЕСТРУЩИОННЫЕ ПРОЦЖСЫ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ИНТЕНСИВНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РЫБОВОДНЫХ ПРУДОВ

03.00.07 - Микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ МИКРОБИОЛОГИИ

На правах рукописи

МИХЕЕВ Павел Владимирович

УДК 576.8.639.3П

ДЕСТБШИОНШЕ ПРОЦЕССЫ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ИНТЕНСИВНО ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ РЫБОВОДНЫХ ПРУДОВ

03.00.07 - Микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте прудового рыбного хозяйства и Институте ьзакробиологаи АН СССР

Научный руководитель: доктор биологических наук В. 1,1. Горленко

Официальные оппоненты: цоктор биологических наук

С.С. Беляев

кандидат биологических наук А. И. Саралов

Ведущая организация: Институт озероведения АН СССР, г. Ленинград

Заюта диссертации состоится " " 1390 г,

в ¿С часов на заседании Специализированного Совета Д.002.64.01 при Институте микробиологии АН СССР по адресу: 117811, г. Цосква, просп."60-летия Октября, ц. 7, корп. 2. С диссертацией можно ознакомиться в Институте микробиологии АН СССР

Автореферат разослан "//" /ИСЛс^-^ 1990 г.

Ученый секретарь цаализированного С канд. биол. наук

Спецаали зированного Совета ^ / . гЕ. Никитин

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рыбоводные пруды с микробиологической точки зрения менее изучены по сравнению с озерами и водохранилищами. Между тем они являются специфическими водоемами, специально построенными для целей рыбоводства, функционирует, как правило, только часть года, а их высокая трофность создается преимущественно за счет аллохтонного органического вещества. Для рыбоводных прудов имеются в основном данные по динамике численности, продукции и биомассе бактериопланктона, влиянию на микроорганизмы удобрений, вица и плотности посадки рыб (Антипчук, 1983; Новожилова и др., 1987). Донные отложения прудов изучены значительно хуже, чем водная толща. Известны лишь отдельные исследования, касающиеся численности и биомассы бактериобентоса, показателей интенсивности некоторых микробиологических процессов (Акимов, 1967; Сокольский, 1977; Антипчук, 1983; Ляхнович и др., 1985; Новожилова и др., 1987; АЬйе1шопе1т et в1., 1986). В рыбоводных прудах остались практически не изученными процессы анаэробного распада органического вещества,' сульфат- и сероредукция, метано- и ацегогенез. Недостаточно изученными остаются скорости анаэробного разложения в илах белка и целлюлозы, денитрификация. Отсутствует также количественная оценка участия микроорганизмов в самоочищении рыбоводных прудов, в связи с чем возникает необходимость проведения исследований в этом направлении.

Практическую значимость имеют микробиологические исследования в прудах при высокоинтенсивном рыбоводстве, масштабы которого возрастают в последние годы. Изучение рыбоводных прудов приобретает особый научный интерес как пример экстремально евтрофа-рованных- водоемов.со. сложными трофическими связями.

Пель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось определение роли аэробных и анаэробных процессов деструкции ор-

I

ганического вещества в илоншс отлонениях прудов с высоким уровнем рыбопродукции для оценки их способности к самоочищению.

Для этого необходимо было решить следующие основные задачи:

1. Изучить физико-химические условия и особенности развития в прудах отдельных физиологических груш бактерий и тотального бактериопланктона и бактериобентоса.

2. Исследовать цеструкционные процессы в водной толще и иловых отложениях рыбоводных прудов, оценить роль ценитрификации, сульфат- и сероредукции, метано- и адегогенеза, процессов раз-логения белка и целлшозы, определить количественные характеристики этих процессов.

3. Изучить соотношение процессов деструкции органического вещества в ионных осадках и определить вклад аэробных и анаэробных микробиологических процессов в самоочищение рыбоводных прудов.

Научная новизна работы. Деструкция органического вещества рассмотрена как слоеный динамический процесс, происходящий в искусственных высокоевтрофных водоемах, который зависит от ряда направленных технологических воздействий и создающихся биотических и абиотических условий. В ходе выполненных исследований впервые получена подробная микробиологическая характеристика донных отложений, воды, сестона высокоевтрофных прудов с рыбопродукцией 5-7 т/га в условиях средней полосы СССР. Изучены интенсивность и направление деструкционных процессов в воде и донных отложениях. Установлено преобладание в илах рыбоводных прудов анаэробной деструкции органического вещества. С использованием радиоактивных изотопов исследованы, особенности протекания анаэробных цеструкца-онных процессов в илах высокоинтенсивных прудов, впервые получены количественные характеристики сульфат- и сероредукции, метане и ацетогенеза для рыбоводных прудов. Изучено соотношение отдельных анаэробных цеструкционных процессов в цоннйх осадках и уста-

новлена высокая скорость их протекания по сравнению с евтрофными озерами и водохранилищами. Впервые оценен вклад отдельных микробиологических процессов в общую деструкцию органического вещества в высокоинтенсивных рыбоводных прудах и тем самым детализирован механизм самоочищения среды за счет деятельности микроорганизмов.

Практическая ценность исследования. Количественные характеристики интенсивности микробиологических процессов позволяют оценить их вклад в самоочищатцую способность высокоевтрофяых рыбоводных прудов и разработать оптимальный ре кем их эксплуатации. Результаты настоящей работы использованы при составлении "Технологии выращивания рыбы в прудах при оборотном водоисполь-зовании с выходом рыбопродукции 5-7 т/га", М., 1969.

Адробания работы. Материалы диссертации были доложены на У съезде ВЕБО (Тольятти, 1936 г.), на трех конференциях молодых ученых: Ленинград, 1987 г., Борок, 1987 г., Киев, 1989 г., а также на Всесоюзном совещании "Современное состояние и перспективы развития.прудового рыбоводства" (Мэсква, 1987).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13; научных работ. -... - .....

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 196 страницах и состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, включает 51 таблицу и 24 рисунка. Список литературы содержит 192 отечественных и 139 иностранных наименований работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал и методы исследования

Сезонные наблюдения за численностью микроорганизмов и интенсивностью деструкционных процессов в воде и илах проводили в 22 рыбоводных прудах Центрального экспериментального отдела ВНИИПРХ

СМосковская область) в период с 1983 по 1989 гг. В пруцах площадью 0,2-0,7 га выращивали годовиков карпа при плотности посадки 30-40 тыс.шт./га, двухгодовиков и трехгодовиков карпа при. плотности посадки соответственно 10-15 и 8 тнс.шт./га в поликультуре с гибридом белого и пестрого толстолобиков. Применяли шестиразовое и многоразовое кормление рыбы, использовали маятниковые автокормушки, аэраторы, проводили удобрение и известкование прудов, поддерживали различные режимы водообмена (Федорченко,1986),

В период проведения экспериментов осуществляли контроль за гидрохимическим и гидробиологическим режимами прудов, ¿{утносгь, электропроводность, pH, содержание кислорода в прудовой воде на разных горизонтах определяли гидротестером "U-7, Хориба"(Япония), Окислительно-восстановительный потенциал измеряли иономером ЭВ-74 со стандартным и платиновым электродами. Сульфаты, сульфид и элементную серу определяли спектрофотометрическими методами (Dodgeon, I96I;Traper, Schlegel , I96I;0emerden , 1968), содержание карбонатов - прямым титрованием (Романенко, Кузнецов, 1974), содержание углерода, азота и водорода в илах - на CHN -анализаторе (Чехословакия), концентрацию взвешенных веществ в воде - весовым методом на фильтрах (Остапеня, 1979) и методом "ловчих" стаканов (Александрийская, 1974).

Численность бактерий в воде и илах подсчитывали на окрашенных мембранных фильтрах с диаметром пор 0,3 мкм при увеличении х1300. Структуру бактериальных сообществ в осадке сестона, в илах и "на стеклах обрастания изучали на сканирующем электронном микроскопе JEOl JSM - ТЗОО. Для учета численности физиологических групп бактерий использовали ряд элективных сред,описанных.в лабораторном руководстве В»И. Романенко и С.И.Кузнецова (1974). Учет сульфатредущрувдих бактерий проводили также на средах с разными, источниками углерода: лактатом (Catalogue of strains, 1977), про-

пиоватом, ацетатом или бутиратом (widdel, 1980). Численность се-роредуцирукцих бактерий определяли на среде с ацетатом, описанной Пфеннигом и Библом (Pfennig, Biebl, 1981), а также на среде с глюкозой (Бонч-Осмоловская и др., 1988). Численность аэробных и анаэробных целлтлозоразлагаощзх бактерий учитывали на среде Пфеннига, состав которой приведен в работе Б.Б.Намсараева (1984). Некоторые вицы сульфатредуцирующих и метанобразующих бактерий определены имцунофлуюресцентным методом (Вайнштейн, Лауринавичус, 1988).

Первичную продукцию фитопланктона рассчитывали по методу Г.Г.Винберга (I960), а также с использованием изотопа углерода

'(Романенко, Кузнецов, 1974), деструкцию органического вещества илов за счет аэробных" и анаэро 6nui'5рсце с сов - по" количе ству выделившейся углекислоты с учетом существующего равновесия ее форм (Романенко, Кузнецов, .1974; Резников и др., -1970), аэробную деструкцию - в тех же пробах по потреблению кислорода. Интенсивность сульфатредукции в грунтах и придонной воде определяли радиоизотопным методом (Иванов, .1956). Включение метки в разные восстановленные соединения серы анализировали по методу И.И.Волкова и И.И.Еабина (1980). Интенсивность сероредукции определяли с помощью элементной серы

35з

в вице полисульфида, приготовленного по методике, описанной Пфеннигом ( Pfennig, 1981), темповую-ассимиляцию углекислоты по методике,.предложенной Ю.И.Сорокиным (1958), Количество образующегося в илах.метана оценивали с применением радиоактивных изотопов (Беляев, 1974) ягазохроматогра-фическими методами (Михеев, 1987; Саралов и др., 1988). Процесс окисления метана в илах. и придонной воде учитывали с помощью 14СН4, ацетогенез в илах из ^С02 и - после .отгонки летучих 'Кврпых кислот с паром (Вайнштейп, Лауринавичус, 1988). Денитрз-фтцггятхтт в иловых отлогёниях прудов измеряли ацетиленовым методом

ч

(Xoahinari, Knoeleo, 1976). Интенсивность минерализации белка и целлшозы определяли с использованием этих полимеров, меченых по углероду (Ламсараев, Иванов, 1982; Нестеров и др., I9Q9).

При проведении балансовых расчетов пришагали содержание углерода в органическом веществе ила, сестоня, теле рыб равным 50$, сухое вещество бактерий - 15?. Усвояемость корма рыбами в прудах принимали равной 5С$ (Щербина, 1973). Вклад сулъфатредукции в анаэробную деструкции рассчитывали по уравнении Фролшса (Prolieh, 1979). Вклад сероредукциг и денитрифпкацаи определяли', исходя из балансовых уравнений процессов. В балансовых расчетах не учитывали роль зоопланктона р> минерализации органического вещества в прудах, возконность потребления детрита карпом и толстолобиком, а также темповую ассимиляцию углекислоты^в воде.

Статистическую обработку материалов проводили общепринятыми методами (Плохинский, IS70), а такге на ЭВМ ЕС - 1035 в лаборатории АСУ ВЙИШРХ.

Физико-химические.условия.для развития микроорганизмов в воде й~донных .отложениях, интенсивно ..эксплуатируемых рыбоводных прудов

Вода, поступающая в экспериментальные рыбоводные пруды из водохранилища, имела бихроматную окисляемость в пределах 18-27 мг pH около 8, содержала значительное количество минеральных форм азота,, нитратов - до 2,17 кг и /л. Результаты химического анализа воды, характеризовали, водохранилище как евтрофный водоем, В процессе выращивания рыбы в прудах при внесении в них большого количества кормов, извести, удобрений физико-химические показатели воды претерпели существенные изменения. Окисляемость прудовой.воды увеличилась в 1,5-2,5 раза по сравнению с поступающей водой. При суточной расходе кормов от 147 до 340.кг/га величина аммонийного азота достигала 2,8 мг н./л", фосфатов - 0,1-0,6 мг Р2О5/Л. Существенным показателем, определяющим развитие шкроорганвзков,

6

рыб и других гидробионтов являлось содержание растворенного в

воде кислорода (рис.1).

23 25 оп 23 25 т о~

см <—i—1—1 1 - см 1—^-■-1--- 1 °

Рис.1, йизико-хииические условия в воде прудов,ишь 1986 г.

Стратификация водной толщи по кислороду и рН свидетельствовала об интенсивном протекании процессов распада органического вещества в илах. В прудовой воде в течение всего рыбоводного сезона содержался растворенный кислород: в дневные чаек, особенно в июне, наблюдала пересыщение поверхностных слоев воды. В ише-азгусте в связи с интенсивны;.! кормлением рцбы кислородный режим прудов становился более напряденным. По приведенным л ряду других показателей вода интенсивно эксплуатируемых прудов статистически достоверно не отличалась от прудов с традиционным рыбоводством. Выращивание карпа при высоких Плотностях посадки-, аэрация воды приводили к вз'.'учивакию иловых отлогепий прудов, что наряду с развитием фитопланктона снижало прозрачность воды (по диску Секкд) до 15-25 см. Изучение сестона, тесно связывающего воду и донные отложения, показало его связь с условия:,та содержания рыбы в прудах: наибольшее количество сестона - до 220 г/ч3 - было в прудах без водообмена и с технической аэрацией. Основу взвешенного вещества

(сестона ) составляли петрит и минеральные частицы. Биомасса живых. организмов была от 3,3$ в пруду с традиционной плотностью посадки рыбы (1532) до 5,4$ в пруду с высокой плотностью и без водообмена (Н9) (табл.1). Таблица I'

Количество живых организмов в составе сестона нагульных прудов в 1985 г. (сухая масса)

Показатель Пруд №17■! Пруд й18 ! Пруд №19 ! Пруд 332

мг/л аГ /" от/л < мг/л % мг/л %

Сестон 65,4 100 66,9 100 123,1 100 80,8 100

Бактериопланктон 0,2 0,3 0,3 0,5 0,3 0,2 0,2 0,2

Фитопланктон 0,9 1.4 0,3 0,5 3,2 2,6 0,5 0,6

Зоопланктон 2,3 3,5 1,5 2,2 3,2 2,6 2,0 2,5

Всего живых организмов 3,4 5,2 2,1 3,2 6,7 5,4 2,7 3,3

В прудах большое количество сестона в толще воды было обусловлено многократным переотложением донных осадков. При известковании прудов происходило уменьшение концентрации взвешенных веществ в воде, что способствовало временному улучшению кислородного режиьа. Повышенная концентрация сестона являлась отличительной особенностью изучаемых'прудов.

Неусвоенное рыбами органическое вещество корт в виде оформленных частиц поступало^аа поверхность донных отложений." Илы содержали от 3 до В% органического вещества, что можно считать высокой величиной для почв рыбоводйых прудов. Около одной трети составляла его легкоокисляемая фракция. Динамика содержания углерода и отношение углерода к азоту, которое увеличивалось с 3-6 до " 7-12 от июня к сентябрю, свидетельствовали о протекании микробиологических процессов в толще иловых отложений до глубины 8-10 см. Наибольшее количество аммонийного азота (до 10-16 мг н/100 г) отмечали, как правило, в августе. Была установлена также корреляция между содержанием в илах обменного фосфора и поступлением корма в

8

прудьи На границе вода, и ила был резкий перепад окислотельяо-вос-становительных условий, составивший 300 мВ, однако по профили ила он практически не изменялся и имел, как правило, положительное значение (рис. 2). .

6 7 "8 рН 6 7 8

см

Рис. 2. Физико-химические условия на границе- вода-ил и в донных отложениях прудов, 1986 г.

Известно, что при потенциале около +100 мВ свободный кислород практически не встречается (натва-те , 1972)..По-вицишиу, строго

анаэробные процессы, такие, как метаногенез и сульфатрецукция, мог»

ли происходить в фекальных и детритных микроагрегатах, которые были выявлены при микроскопировании илов. В^поверхностном слое донных осадков, обогащенном оседающим из воды органическим веществом и соприкасающемся с содержащей -растворенный кислород придонной водой, были более благоприятные условия для развития аэробных сапрофитных бактерий.

Микробиологическая характеристика рыбоводных прудов

Общая численность бактерии в воде, максимально достигая

30 млн кл./мл, обычно составляла 5-7 млн кл./мл. Это позволило

характеризовать рыбоводные пруды как .высокоевтрофные водоемы. Наименьшее общее число бактерий отмечено при :залитии прудов и на

начальных этапах выращивания рыбы, когда в пруды попадало незначительное количество комбикорма. Сапрофитные бактерии, играющие важную роль в разложении легкоусвояемого органического вещества, составляли в воде прудов 0,005-0,07$ (0,&-6,0 тыс.кл./мл) от общего числа бактерий. С повышением температуры воды и началом кормления рыбы их количество увеличивалось более чем в 10 раз. В прудах без водообмена повышенное содержание споровых форм свидетельствовало о накоплении трудноминералируемыг веществ. В количестве до 1000 кл./мл из воды прудов выделены денитрифицирующие, сульфатредуцгрующие и метанобразующие бактерии. Условия для их развития создавались в органо-минеральных частицах.

Одним из основных показателей интенсивности процесса бактериального самоочищения водоемов является скорость размножения бактерий. Статистическая обработка данных по скорости размножения бактерий и продукции бактериальной массы, полученных для опытных (с высокой рыбопродуктивностью) и контрольных прудов (традиционное выращивание рыбы, более низкое количество потребленного ею корш) показала отсутствие между ними достоверных различий (табл»2)

Таблица 2

Скорость развития бактериопланктона в прудах с разной рыбопродуктивностью

Показатель . ! Пруд_?М+д ? 3 .1

Время генерации,ч опытный 66,4*21,9 II 2,02 2,2 контрольный 20,6,5

Продукция бакте- опытный 2,52±0,68

рий.млн кл./мл контрольный 5,05±1,70 12 1,43 2,2

Эти результаты свидетельствовали о сохранении в интенсивно эксплуатируемых прудах динамики развития бактерий, характерной для большинства рыбоводных прудов.

Преобладающими формами бактерий в воде изученных прудов были

кокки (80!?). Бактериальные микроколонии были наиболее многочисленны во второй половине сезона, имели размер от 6 до 600 мкм2. их численность достигала 25 тыс.шт./мл. Бактерии на частицах детрита составляли в среднем за сезон по отдельным прудам от 18 до 52$ от числа одиночных бактерий. При этом детритнне частицы практически не встречались без ассоциированных с ними бактериальных клеток и представляли собой продукты шзнедеятельности рыб и пы-1 левиднне частицы комбикорма на разных стадиях разложения. Для интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов впервые установлено, что в среднем за сезон в агрегированном состоянии находилось 2530? общего количества бактерий, имеющихся в воде. Различия в уровне развития сапрофитных бактерий в осадке сестона, собранного с разных горизонтов водной толща, подтверждало разнокачествен-ность содержащегося в нем органического вещества..Поскольку агрегированные бактерии, ассоциированные с органо-минеральннми частицами, способны метаболизировать органическое вещество не только самой частицы, но и растворенное в воде, их, очевидно, следует рассматривать как своеобразный биофильтр, .способствующий самоочищению воян.

Интенсификация рыбоводства существенно повлияла на ряд микробиологических показателей иловых отлокений прудов. Общая численность бактерий возросла с 1-6 млрд кл./г до 30-260 млрд кл./г сухого ила, показатель СА снизился с 10-26 до 5-10, отношение углерода бактерий к углероду органического' вещества идов возросло с 0,2-0,5 до 4,6-51,8£. Биомасса микроорганизмов, как и численность, достигала максимальных величин во всех изученных црудах в конце рыбоводного сезона (август-сентябрь). В значительном количестве развивались в илах бактерии различных физиологических груш: численность сапрофитных бактерий составляла 12-200 млн кл./г, споровых - 60-150 тыс.кл./г, денитрифицирующих - до ТО млн кл./г,

клостридий - от ТОО тыс. до I млн кл./г, нитрифицирующих бактерий - до 100 тыс.кл./г, аэробных и анаэробных целлюлозоразрушаю-щих - соответственно цо I мш и до 100 тыс.кл./г, несерных пурпурных т цо 10 тыс.юг./г ила.

Динамика численности бактерий на ША и на почвенной вытяжке, как правило, совпадала, наибольшее количество в илах учитывали в июне, в середине лета наблюдали снижение числа бактерий (рис.З).

млн ши/г

30

20

10

71

УП

УШ

IX

МЕСЯЦ

Рис.З. Динамика численности сапрофитных бактерий(на ША) в

илах нагульных прудов Л№ 1??,18,19,32, 1984 г. (млн кл./г)

К концу лета увеличивалось количество споровых бактерий по отношению к сапрофитным, ч?о свидетельствовало о более интенсивной минерализации" трудноусвояемых органических веществ в этот период.

В илах создавались благопршйные условия для развития сульфат-и сероредударухщкг бактерий, их числ'ейность иногда достигала десятков шш Клеток/ г сыроГб ила (табл.З). Наибольшее число суль-фатрецуцируицих бактерий Оыяо уйенб на среде с лактатом, сероре-дуцирующвх - на среде с глюкозой* Численность сульфатрецуцирующих бактерий, окисляющих органйчес'кйе вещества до углекислоты, была, как правило, нике.

Мат'одом иьйлувофйуоресценаяи быяо изучено количественное ра;с-пре деление в илах некоторых видов суЛфа^рефвдрушйх и метаноб-

Таблица 3

Средне се зонная численность сульфат- и сероре аудирующих бактерий (кл./г сырого ила) при учете на средах с различными источниками углерода

Пруд, Сульфатредтоитаю.щие. бактерии 1 Сероредуцирующие Я лактат пропйонат ацетат оутират 1 бактерии .

,..... . 1 ацетат глюкоза

ш 17 Ю4 ю5 га2 103

» 104 ю3 103 Л? - -

1987 Г7 Ю5 ю2 ю4 ю - - —

19 105 10 103 103 То5 -

1968 17 ю6 ю4 о5 га4 Ю3 га5

19 106 ю4 • ю5 га4 то4 ю6

разующих бактерий. Во всех прудах преобладали Вввч1Гот1Ьг1о ¿еви1{иг1сапв. Среди метанобразующих бактерий наиболее часто встречали Ме«1апо1оЪи8 tindaгiuз, Ыв1гЬадова*'с1йа ааге1, Мв^а-поЬасгег1ил Ьхуап1::1.1., Металоееп1ии шаг1вп1ег1. Их численность составляла 20-110 тыс.кл/мл ила. Численность ие-№апоЬа^ег:1ит Гог-т1о1сшп, МеЙ1апоаагС1.па Ьагкег! была несколько ниже — ДО 30 тыс.кл./мл. Отмечена тенденция уменыаеяия числа метанобразую-щих бактерий от августа к сентябрю. Суммарная численность нескольких видов была значительной и достигала 200 тыс.кл./мл сырого ила.

После осушения прудов и в зимййй период общая численность бактерий в илах снижалась в.йеСколько раз. Вместе с тем в промороженном ложе пруда сохранялась высокая численность бактерий различных физиологических груш, в том числе анаэробных бактерий. По-видимому, это способствовало быстрому созреванию бактериоценоза после залития прудов весной и поступления в или органического вещества.

Количественная оценка гтроцугдпрняогдес&щщионрнх процессов в. воде, и., илах. интенсивно, эксрлуатируег.тас.шб.оводных прудов

Процессы продукции и деструкции органического вещества в воде

Прудов были тесно связаны с условиями выраливания рыбы. Обычно в

13

массовых количествах развивались одновременно лишь несколько видов водорослей, преобладали Scenedeemue quadricauda, Actlnastrum Hantzohii, Microcystls aeruginosa, Oscillatorle nitida и некоторые другие. Поступление органического вещества в результате жизнедеятельности фитопланктона обычно било в пределах 1,416,48 г C/iß в сутки. Новообразование органического вещества бак-териопланктоном, суда по темновой ассимиляции углекислоты, было соизмеримо с продукцией органического вещества в результате фотосинтеза фитопланктона. В придонном слое воды в темновых процессах фиксировалось от 0,5 до 2,5 мг С/л в сутки. В непроточном пруду темновая ассимиляция углекислоты в воде происходила почти в два раза интенсивнее, чем в проточных прудах и в прудах с оборотным водоснабжением. Аэробная деструкция органического вещества в воде в большинстве случаев не превышала 3-4 мг С/л в сутки. При уменьшении в среднем вдвое суточных норм потребления корма рыбами среднесезонная аэробная деструкция снижалась в 1,3 раза. Аэробные цеструкционные процессы в воде способствовали ее эффективному самоочищению (габл.4).

Таблица 4

Показатели интенсивности процесса самоочищения воды рыбоводных прудов в 1984 г.

Показатель

Опытные пруды

_Контроль- .

май июнь июль август среднее беднее1*'

Бихроматная окисляе-

ыость, мг 02/л 32,7 43,6 42,0 42,0 40,1

Деструкция, . '

мг Og/л «сут. 2,1 6,1 8,7 5,4 5,6

Минерализация .

в сутки, % 10,1 24,8 48,9 18,4 25,6 Время самоочищения,

сут. • 10,Г 4,1 2,1 5,4 " 5,4

49,1 4.3 16,7 6,9

Наибольшая скорость самоочищения воды была в опытных прудах с вы-

сокой плотностью посадки рыбы в шале, в июне и августе она составляла около 20% и была соизмерима с суточной минерализацией легко-разлагаемого органического вещества в водохранилищах Волги (Кузнецов и др., 1963). Высокие скорости анаэробных процессов — суль-фатредукцяи до 0,53 мгб 2""/л . сут., метаногенеза - до 0,04 мг С/л в сутки - были отмечены в придонной воде во взвешенных частицах. Однако роль этих процессов в минерализации органического вещества в водной толще была незначительна.

Микроорганизмы, бурно развивающиеся в илах, наряду с процессами разложения органического вещества, ассимилировали углекислоту и тем самым способствовали образованию нового органического вещества. В среднем по данным за ряд лет ассимиляция углекислоты в темноте составила 1,16 мг С/л в сутки. Интенсивному протеканию этого процесса в илах, как и в воде, по-видимому, способствовала миграция восстановителей из нижних слоев ила и микрозон.

Аэробная деструкция органического вещества в илах, рассчитанная по потреблению кислорода, составляла от 7 до 63$, в среднем

от суммарного потребления кислорода в воде и илах. Среднесе-зонная деструкция за счет аэробных процессов в разных прудах за период исследования с 1984 по 1988 гг. колебалась в пределах 0,120-0,776 г С/м2 в сутки, что сопоставимо с данными для прудов с меньшей рыбопродукцией (Акимов, 1971). Однако в среднем 18? образовавшегося в илах метана окислялось в поверхностном-слое донных осадков, на что требовалось приблизительно 3-8% от общего потребления кислорода.дном. Таким образом, определение количества кислорода, потребляемого донными отложениями прудов, нельзя целиком отождествлять с аэробной деструкцией органического вещества в илах. Анаэробная деструкция органического вещества составляла 45% от суммарной деструкции и изменялась в пределах 0,646-5,030г С/м2 в сутки. Это более чем в 5 раз превышало величину анаэробной дест-

руквди в цонных осадках продуктивных водохранилищ (Давбан, 1979). Сезонная динамика анаэробных процессов имела свои особенности в каждом рыбоводном пруду, связанные, как правило, с питанием рыбы, развитием фитопланктона, интенсификационными мероприятиями. Обработка многолетних данных на ЭВМ выявила линейную зависимость между анаэробной деструкцией в илах (у , мг С/м^-сут.), концентрацией

ч

сестона в воде (X, мг/д), и общей численностью бактерий в илах ( Z , млрд кл./г): у = 4170,008 - 14,492 X - 39,037 Z , ( Н = 0,49941

Изучение интенсивности основных мшфобиологических процессов в илах позволило определить величину анаэробной деструкции и учесть вклад в нее основных групп микроорганизмов. В результате минерализации белка И8 илов выделялось 1,42 г С/м2 в сутки в вице COg,содержание белка при атом в верхнем слое ила составило около 800 ыг/л.

'' В илах прудов было около 1,5 г/л целлюлозы. Её разрушение происходило с высокой скоростью в течение всего периода выращивания рыбы и составило от 0,6 до 1,25? в сутки. Более интенсивное разложение клетчатки в 1986 г. в илах пруда J632 согласовывалось с высокой численностью анаэробных целлюлозоразрушаищих бактерий, на порядок превышающей численность в илах пруда Н7. Эти данные согласовывались также с результатами определения скорости разложения целлюлозы радиоизотопным методом. При этом наибольшая интенсивность процесса была в верхних горизонтах ила и достигала 33,6 мг С/л в сутки. Самая высокая радиоактивность была отмечена в водной фракции ила, тогда как до СО2 разлагалось 4,1-13,3 мг С/л в сутки.

Высокая численность денитрифицирующих бактерий в илах, значительное содержание нитратов в воде и илах, а также высокая скорость темновой ассимиляции углекислоты являлась свидетельством интенсивного круговорота азота в рыбоводных прудах. Денитрифика-

щи, определенная ацетиленовым методом, составила 100-350 мгн/м2 в сутки. Одновременное добавление в флаконы с илом глюкозы я нитратов, по сравнению с добавлением ацетата и нитратов, более энергично стимулировало денитрифнкацию. Результаты опытов свидетельствовали о- высокой потенциальной способности бактерий удалять избыток азота из рыбоводных прудов. В то же время данные, полученные прямым методом по количеству выделяющегося из илов газа и его составу, в 2-8 раз превыиали результаты определения денитрифика-ции ацетиленовым методом. В среднем, в результате денитрифинации могло минерализоваться в шах исследованных прудов от 100 до 900 мг С/м2 в сутки.

Соцернание сульфида в илах рыбоводных прудов достигало 40 мг г 2"Ул. Наибольшая интенсивность сульфатредукции в плах (до 6 кг 5 2-/л в сутки) отмечена в поверхностных слоях, обогащенных оседающим из воды органическим веществом. Интенсивность процесса нарастала к сентябрю и была наиболее высокой в пруду $17 с товарной рыбой (рис.4).

Рис.4. Интенсивность сульфатредукции в илах при выращивании в прудах карпа разного возраста (мг сут.)

Г7

При определении сульфатредукции только по кислоторастворимому сульфиду учитывали в среднем 13,8% восстановленных форм серы, поскольку значительная ее часть в ходе диагенетического перераспределения находилась во фракции пирита и элементной серы (табл.5).

Таблица 5

Интенсивность сульфатредукции (ыг®вос/л «сут.) и перераспределение восстановленных форм серы {% от суммы форм серы) в илах рыбоводных прудов, 1987 г.

т. _ ' Гори- Интенсивность сульфатредукции

ий>ц» SOHT. г,__________

й Кислотораст- Элементная Ипритная Водораствори-воримая .сера сера__сера мая сера

мг/л«сут. % мг/л.сут. % мг/л«суг. % Мг/Л'СУТ. %

17 0-2 4,30 46,9 3,58 39,1 0,44 4,8 0,88 9,2

2-4 4,49 5,3 4,81 52,5 4,52 49,3 - -

6-8 0,17 2,0 0,68 8,1 7,02 83,9 0,51 6,1

45 0-2 0,68 26,1 0,93 35,5 0,69 26,3 0,32 12,3

2-4 0,02 1,2 Г,05 61,8 0,40 23,3 0,23 13,7

'6-8 ■ • 0,02 2,1 0,27 29,9 ■ 0,34 38,6 0,26 29,4

Высокая интенсивность редукции сульфатов до сероводорода с последующим окислением части его до элементной серы хорошо согласовывалась с большим количеством серы в илах {в среднем около 200 мг з°/л). Обравованле сероводорода за счет сероредукции наиболее интенсивно протекало в илах црудов с товарным карпом. Б верхнем (0-2 см) слое этих прудов интенсивность сероредукции составляла' от 4,53 до 21,07 мг s^~/n*cyT. и превышала величину,образования сероводорода за счет сульфатредукции приблизительно в 10 раз. В нигелекащих горизонтах ила (6-8 см) отмечено резкое ос-¿¡¿Оленне сероредукции. Вероятно, значительный вклад в образование сероводорода вносили такке гнилостные микроорганизмы.

Количественная оценка метаногенеза в высокопродуктивных рыбоводных прудах представлялась весьма актуальной, поскольку на-блюдслля выявили интенсивное газообразование дном (рис.5). С использованием радиоизотопной методики было установлено, что- в илаг.

16

Рис.5. Содернаняе метана в газе,выделившемся из злоз прудов Ш 17,18а,19; 1988 г.

образовывалось от 0,001 до 8,638 мг СЛ„ /л з сутки. В среднем за ряд лет по изученным прудам около 42$ метана образовывалось из С02 и Наибольшая скорость метаногенеза приходилась, как правило, на верхние слои ила (табл.6).

Таблица 5

Интенсивность метаногенеза в донных отлсгениях рыбоводных прудов, мг С/л з сутки

Пруд, Горизонт, см Август 1986 г. Сентябрь 1986 г. Август 1987 г. Сентябрь 1937 г.

17 0-2 0,057 0,296 8,863 0,013

2-4 0,007 0,037 0,144 0,04В

6-8 0,003 0,190 Г,122 -

45 0-2 0,604 0,С07 0,268 0,024

2-4 0,065 0,001 0,025 0,031

6-8 0,450 0,006 0,177

В то же время процесс шел на глубине около 8 см, несмотря яа до-

вольно высокий окясл.-зосст," потенциал и значительное содержание, глины в этих слоях. Количественные величины интенсивности метаногенеза, полученные с использованием изотопной методики, оказались не столь высоки, как следовало ожидать. Параллельное проведение

опытов с использованием нескольких методов показало» что радио—

I?

углеродный метод дает результат в среднем в 2,3-2,4 раза ниже по сравнению с определением метаногенеза в изолированных образцах ила и в пробах газа из-под колпаков методом газовой хроматографии. Наиболее простым в исполнении был метод определения количества метана в выделяющемся донном газе. СИ дозволял также изучать ме-таногенез, .не нарушая естестзешш условий водоема.-

До последнего времени" остается шло изученной скорость авто-трофного образования ацетата в естественных водоевдх. Б наших опытах с донными осадками скорость перехода метки в жирнокислот-ную фракцию илов составила 0,8-5,3 мг С/л» сутиногда была больше водородного .механогеаеза на порядок. При общем количестве ацетата в илах прудов около 30 мг С/л от 6 до 10$ его могло образовываться литотрофкнми адетогенными бактериями. В дальнейшем ацетат мог использоваться как метанобразующиии, так серо-, сульфатрецуцирую-щими и денитрифицирующими бактериями.

Установлено, что основная часть поступающего в мы органического вещества раалагалась до углекислоты и выделялась из илов в водную толщу. В то же время в результате происходивших в илах процессов темновой ассимиляции углекислоты, метаногенеза и ацето-генеза из водорода и углекислоты,- фотосинтеза в поверхностной пленке ила происходило занижение величины анаэробной деструкции, если ее учитывать по выделению СС^, приблизительно на Д$. С учетом этой поправки был рассчитан вклад некоторых процессов в аназ-. робную деструкцию органического вещества в илах. Процессы анаэробного распада белка и целлюлозы дали соответственно 36 и 18$. В -результате денитрификадаи минерализовалось в среднем около 15% органического вещества. Вклад сульфатредукции в анаэробную деструкцию составил около В%, сероредугалш — 12$, ацетатного метаногенеза - в среднем около "!%,

Круговорот углерода, в интенсивно, эксплуатируемых рыбоводных потдах

Количественное изучение микробиологических процессов в воде и илах, учет поступления органического вещества с кормом к выноса при водообмене позволили подойти к балансу углерода в прудах (рис.6).

Продукция фитопланктона

"2755"

Слив из

пруда

Дестр.анаэробная, в т. ч.:

белок 0,58

целлюлоза 0,29

денитрзфикация 0,24

сероредукция 0,21

сульфатредукция 0,13

темновая ассимиляция 0,02 ацетогенез 0,05

[накопление 0,61~]

Рис.6. Потоки углерода (г С/ь£«сут) в рыбоводных прутах в период летнего выращивания рыбы (по данным 1987 г.)

В условиях высокоинтенсивных рыбоводных прудов поступление органического вещества в результате неполного усвоения корма рыбами и продукция органического вещества фитопланктоном были приблизительно одинаковые. Основную роль в самоочищении прудов играли микробиологические процессы, в результате которых разлагалось в среднем 72% поступающего в пруды и образующегося органического вещества. Существенный вклад в самоочищение вносили процессы аэробной деструкции в воде: от 26$ в прудах с товарными трехлетками карпа до 50$ - в прудах с сеголетками карпа. Доля аэробных процессов в

илах в общем самоочищении, пруцов была относительно невысокой: около 5%. Анаэробные процессы деструкции органического вещества в илах способствовали минерализации в среднем 31% всего поступающего с кормами и образованного фитопланктоном органического вещества. Остается недостаточно изученным вопрос о накоплении органического вещества в илах рыбоводных прудов.В среднем по данным за 1987 г. в течение рыбоводного сезона в илах накапливалось около

углерода. Технический водообмен способствовал удалению из пруцов растворенных и взвешенных органических веществ и частично планктонных организмов. Вклад водообмена в самоочищение пруцов составил в среднем 15%, 4

ЗАКЕШЕНИЕ

На современном уровне развития пруцового рыбоводства остро встали вопросы изучения среды обитания рыб в связи с необходимостью создания благоприятных условий для их культивирования в условиях интенсивного евтрофировання прудов. Разработка в водной микробиологии нового подхода к количественной оценке вклада отдельных групп микроорганизмов в круговорот углерода, серы, азота в связи с применением рациоизотопных, газохрсматографическнх и днгиситорных методов дата воэмоеность провести исследования в рыбоводных прудах па новом методическом ¡-ровне.

Количественное изучение микробиологических процессов в всце и плах, учет выноса вещества при водообмене и других процессах, позволили подойти к балансу органического вещества б прудах с ."высокой ркбопроцуктивностыэ, что выявило решающую роль мнкроорганпзко] г самоочищении пруцов. Чйкроэргакизмы, бурно развивающиеся в воце у. плах, усиливали деструкционное звено и способствовали созданию з прудах экологического равновесия. Особое место е экосистеме занимали бактерии в составе сестона, который функционально связывал водную толщу и донные ртлокения.

22

В исследованных наш интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудах в воде преобладала аэробная, в илах - анаэробная деструкция органического вещества. Наибольший вклад в последнюю вносили процессы раалоКения белка и целлюлозы. Основным источником поступления этих полимеров в пруды являлись комбикорма. Интенсивная денитрификация в илах протекала в связи с высокой нагрузкой на рыбоводные пруды по азоту. Денитрифякаторы могли конкурировать за ацетат с бактериями, осуществляющими терминальные процессы анаэробной деструкции.

Другим интенсивно протекающим в илах терминальным процессом являлась серорецукция. Обрашло внимание высокое содержание элементной серы в илах. Очевидно, что при содержании в илах 20-40 г.!Г3зо2-/л образование сероводорода з результате сульфатредукцип я дальнейшее окисление его части не могло обеспечить накопление з илах большого количества серы. По-видимому, значительный вклад з образование сероводорода вносили гнилостные бактерии.

Преобладание ацетатного метаногенеза в илах прудов било вызвано несколькими причинами. Во-первых, конкуренцию метанобразую-щим бактериям за водород составляли литотрофные ацетогенные бактерии. Интенсивность ацетогенеза, ранее не изучавшегося в рыбо-зошшх прудах, иногда на порядок превышала интенсивность метаногенеза из водорода и углекислоты. Во-вторых, численность использующих ацетат сульфатредуцирующих бактерий была приблизительно на порядок ниже, чем численность лактат использующих бактерий. Последние также могли конкурировать с метанобразующики бактериями за водород. Проведенные исследования открывают возможность моделирования экосистемы с целью управления, ею.

ВЫВОДЫ

I. Особенностью интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов являлось значительное обогащение воды и донных отложений оргапи-

ческам веществом, главным образом, за счет внесения большого количества рыбных кормов. По сравнению с водоисточником окисляемость воды прудов возросла в 1,5-2,5 раза, количество взвешенных веществ достигло 220 мг/л, возникала стратификация водкой толщи по кислороду и рН и наблюдался резкий перепад окислитедьно-восстанови-тельного потенциала на границе вода и ила. В илах содержание органического вещества увеличивалось с 4$ до 8$. Физико-химические условия в рыбоводных прудах, образование аэробных и анаэробных зон в микроагрегатах создавали предпосылки для интенсивного протекания разнообразных микробиологических процессов.

2. В течение сезона численность бактерий в воде изменялась от 2,5 до 30 млн кл./мл. Около 25-30% всех бактерий находилось в крупных микроколониях или было ассоциирована с органо-минеральными частицами. Микроагрегаты представляли собой сложные аэробно-анаэробные бактериальные сообщества, участвующие в самоочищении воды.

3. В илах было обнаружено от 30 до 260 млрд кл. бактерий на I г сухого ила, что в 6 и более раз цревышало их численность в прудах с меньшей рыбопродуктивностью. Доля бактериальных тел в органическом веществе ила достигала 50$.

4. В водной толще преобладали аэробные деструкционные процессы, в результате которых разрушалось 0,4-4,0 г /м2 в сутки.

ирх »

В илах 75$ органического вещества минерализовалось -в анаэробна деструкционных процессах, которые протекали со скоростью 0,645,03 г С/м^в сутки. Вклад в анаэробную деструкцию процесса разложения белка достигал 36$, целлшозы - 18$, минерализации органического вещества в процессе денитрификаоди - 15$, сульфагредук-ции - 8$, сероредукции - 13$, ацетатного метаногенеза - 7$.

5. Спецификой экосистемы высокоевтрофных прудов являлась высокая интенсивность и примерное равенство водородного и ацетатного метаногенеза. Протекание последнего обеспечивалось активной цея-

тельностью литотрофных ацетогенных бактерий. Конкурентоспособность денитрификации и серорецукции как терминальных процессов деструкции была связана с возможностью денитрифицирующих и серо-редуцирующих бактерий использовать широкий спектр органических веществ, образуемых на разных этапах анаэробного разложения органического вещества.

6. Учет прихода и расхода органического вещества показал ведущую роль микробиологических процессов в сбалансированности потоков углерода в интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудах. В результате деятельности микроорганизмов разрушалось около 70$ органического вещества, поступающего в пруды с кормами (за счет их неполного усвоения рыбами), а также в результате фотосинтеза фитопланктона.

7. Получешше количественные данные по участию микроорганизмов з пропукционно-деструкционных процессах могут служить основой для создания прогностической модели интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Михеев П.В. Численность бактерий в зимнее время в грунтах интенсивно эксплуатируемых прудов. - Проблемы рыбохоз. исследований внутр. водоемов Сев.-Зап.Европ.части СССР. Тез.докл. научно-практической конференции. - Петрозаводск. - 1984,- С. 46-47

2. Г.йхеев П.В. Микробиологическая характеристика иловых отложений интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов. - Сб. науч. тр. Вопросы интенсификации товарного рыбоводства.-М. :ВНИИПРХ - IS85. -Вып. 45. - С. I55-161

3. Кихеев П.В. Газовыделение из иловых отложений интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов как показатель анаэробных деструк-ционных процессов. - Сб. науч. тр. Болезни рыб и водная токсикология. - М.: ВНИИПРХ, 1987, - Вып. 51. - С. 219-224

4. Йнсеев П.В. Бактерии в грунтах интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов и их участие в деструкции органического вещестза.-Сб.науч.тр. Рыбные ресурсы водоемов Молдавии и их использование. -

Кишинев. - 1988. - С. 22-30

5. Михеев Л.В., Акимов В.А. Влияние интенсификации на -некоторые характеристики илов рыбоводных прудов. - Сб. науч. тр. Вопросы интенсификации товарного рыбоводства.-М. :ВНИШРХ. - 1987.-Вып. 51. - С. 75-80

6. Михеев П.В., Горленко В.М., Намсараев Б.Б. Участие сульфат-редуцируицих и сероредуцирувдих бактерий в деструкционных процессах в рыбоводных прудах. - Микробиология - (в печати)

7. Михеев П.В., Земляницына Т.Ю., Михеева И.В. К вопросу формирования кислородного режима интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудов. - Сб.науч. тр. Воцросы интенсификации прудового рыбоводства. - М. :ВНИШРХ. - 1987. - Вып. 52. - С. 80-87

8. Михеева И.В., Михеев П.В. Бактериальные сообщества в воде рыбоводных прудов. - Сб.науч. тр. Болезни рыб и водная токсикология. - 1.1.: ВНИИПРХ. - 1987. - Вып. 51, - С. 212-216

9. Михеева'И.В., Михеев П.В., Ильин А.И. Бактерии в сестоне нагульных рыбоводных прудов при высокоинтенсивном рыбоводстве. -Сб.науч. тр. Вопросы интенсификации товарного рыбоводства. -

М.:ВНИИПРХ. - 1985. - Вы. 45. - С. 161-168

10. Михеева И.В., Федорченко В.И., Михеев П.В. Микробиологические процессы в интенсивно эксплуатируемых рыбоводных прудах.

В сб.: Структура п функционирование сообществ водных микроорганизмов. - Новосибирск: Наука. - 1986. - С. 127-132

11. Михеева И.В., Михеев П.В., Борщев В.Н. Результаты изучения водной среды и донных отложений рыбоводных прудов с разным уровнем интенсификации. - Тез. докладов на У съезде ВГБО,- Тольятти, 1986. - Ч. П. - С. 109-111

12. Михеева И.В., Михеев П.В., Федорченко В.И. Формирование условий среды в прудах при выращивании 5-7 т/га рыбы. - Сб. науч. тр. Комплексная интенсификация рыбоводства. - М. :ВНИШРХ. - 1989,-Вып. 56. - С. 22-28

13. Федорченко В.И., Федорченко Ф.Г., Акимов В.А., Михеева И.В., Мустаев С.Б., Трубников А.И., Трямкин Ф.К., Михеев П.В. и др. Технология выращивания рыбы в прудах при оборотном водоиспользо-вании с выходом рыбопродукции 5-7 т/га. - М. - 1989. - 27 с.