Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль прижизненных выделений высшей водной pacтительности в процессах самоочищения воды

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Роль прижизненных выделений высшей водной pacтительности в процессах самоочищения воды"

Институт экологии природных систем АН Татарстана

На правах рукописи

УДК 526.3-1:572.8.095.38

Ршушияк Анка Александровна

Роль прижизненных выделений ' высшей водной растительности в процессах сатоочмщентя воды

Специальность 03.00.18 — гидробиология

Автореферат диг-ггптяпин на соискание учёной стспенн кандидата биологических на)к

Казань— 1993

Робота выполнена в Институте экологии природных систем АН Татарстана

Научный руководитель — доктор биологических наук

А.И.ГЛережко

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Л.О.Эйнор

кандидат биологических наук В.М.Хромов

Ведущее учреждение — Институт биологии внутренних вод

'имени ИД.Папанина РАН

Защита диссертации состоится « /Уъ Г1993 I

в « ЛГч. ,мин.» в помещении ББА на заседании Специапизи рованного Совета Д.053.05.71 при Московском государственно/ университете имени М.ВЛомоносова по адресу: П9899, Москвс Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет^ ¿ху^,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан « /£» кгнГл 1993 г

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат биологических наук

А.Г.Дмитриева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРМСТИЕСА РАБОТЫ

Актуальность работы. С познанием механизмов естественных процессов самоочищения водоемов тесно связано изучение внешнего метаболизма биогидроценоза. Значительную роль в образовании и накоплении органических и неорганических веществ, участвующих в межорганизменном круговороте, играют экзометаболиты гидрофитоценоза. Разнообразные по качественному и количественному составу прижизненные выделения макрофитов не могут не оказать влияния на жизнедеятельность других представит елей гидробиоценоза, в том числе микрофлоры, играющей' решающую роль в детоксикации загрязнений. Показано (Морозсч, 1979), что в присутствии водных растений значительно ускоряется бактериальное окисление нефти. Но механизмы симбиотической связи макрофитов и сопутствующей углеводородокис-ляющей микрофлоры до настоящего времени окончательно не раскрыты; не выявлены вещества, метаболизируемые водными растениями во внешнюю среду, ответственные за ускорение процесса биодеградации загрязнений.

Эти вопросы требуют детального исследования. Цель И задачи исследований. Цель исследований — изучение механизмов санирующей роли высшей водной растительности в искусственных и естественных условиях и использование выявленных закономерностей для интенсификации процессов трансформации загрязнений, подбора представителей водного биоценоза с наиболее выраженными санирующими свойствами для систем биоочистки. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- определить качественный и количественный составы экзометаболи-

тов пяти видов высших водных растений е онтогенезе; * исследовать воздействие азотного и фосфорного питания макрофитов на их экскреторную функцию; _т изучить влияние индивидуальных экзометаболитов, или всей ' совокупности, отдельных фракций аминокислот, углеводов, органических кислот, продуцируемых разными видами макрофитов

на рост, дыхательную, окислительную активность смеси нефтео кисляющих культур и монокультуры Pseudomonas melochlora \ статике и в условиях хемостата; - дать количественную оценку роли макрофитов в процесса: самоочищения воды в естественных условиях (на пример« мелководий Куйбышевского водохранилища) в онтогенезе.

Научная новизна работы

1. Получена новая информация о качественном и количественном составе экзогенных аминокислот, углеводов, органических кислот, продуцируемых разными видами макрофитов во внешнюю среду в онтогенезе.

2. Показана возможность варьирования состава прижизненных выделений высшей водной растительности за счет азотного или фосфорного питания, сроков его внесения.

3. Установлено, что в основе симбиотической связи водной растительности с сопутствующей углеводородокисляющей микрофлорой лежит избирательное поглощение экзометаболитов фитогидроце-ноза бактериями! В свою очередь, избирательность' основана на существовании различий между индивидуальными экзометаболитами, их совокупностями, или отдельными фракциями в физиологической активности по отношению к микрофлоре.

4. Из числа экзометаболитов выделены индивидуальные соединения и их сочетания, значительно ускоряющие процессы окисления нефти культурой Ps. melochlora, или смесью девяти нефтеокисляющих культур в статике и в условиях хемостата.

5. Изучена роль высшей водной растительности в процессах формирования качества воды мелководий Куйбышевского водохранилища, в период активной вегетации и отмирания.

6. Установлено количественное соотношение между величинами самоочищения воды и геоботаническими характеристиками фитогидро-ценоза в онтогенезе.

Практическая ценность работы

1. Результаты исследований внесли определенный вклад в познание механизмов санирующей роли высшей водной растительности в водоемах в онтогенезе.

2. На основании закономерностей, выявленных при изучении механизмов естественного процесса самоочищения с участием фитогидроценоза и микрофлоры, в лабораторных условиях отработан способ биоокисления нефти в проточном режиме с применением смеси экзометаболитов макро-фитов (остаточная концентрация нефти 0,3мг/л).

3. Количественная зависимость между величинами самоочищения воды от химического и бактериального загрязнений и геоботаническими характеристиками макрофитов в онтогенезе может быть использована при проектировании систем биологической очистки с применением фитогидроценоза; при прогнозировании содержания органических, минеральных веществ, биогенных элементов в проектируемых и существующих водоемах средней полосы России с учетом роли водных растений.

Материалы работы включены в «Пособие по комплексной оценке влияния водохранилищ на водно-земельные ресурсы, переформирование и зарастание берегов и др.» (1991 г., Киев).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

VII съезде Всесоюзного микробиологического общества (Алма-Ата, 1986 год);

XXIX Всесоюзном гидрохимическом совещании «Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторы-га пппйпхносгных вод суши» (Ростов-на-Дону, 1987

год);

Всесоюзном совещании «Совершенствование системы управлений и контроля использованием и охраной род о СССР на база объединенных региональных ВХС» (Свердловск, 1987 юд);

Региональной конференции «Экологический проблемы Волги*

(Саратов, 1989 год);

i ' '

Конференции «Рациональное использование и охрана водных ресурсов ТАССР» (Казань, 1989 год);

Конференции «Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод мероприятиями на водосборах» (Свердловск, 1991 год).

В завершенном виде диссертационная работа апробирована на заседании кафедры гидробиологии Биологического факультета МГУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объегл диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, приложения; изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 24 таблицы. В списке литературы 137 источников, в том числе 39 — иностранных авторов.

Основное содержание резботы

Глава 1. Литературный обзор

В обзоре литературы дан анализ современного состояния вопроса о роли гидрофитоценоза в процессах самоочищения, протекающих в водоемах. Рассмотрены проблемы аллелопатических связей гидрофитоценоза с сопутствующими водными организмами.

Гласа 2. Объекты и методы исследований

Объектами исследований служили высшие водные растения, наиболее распространенные в средней полосе России, устойчивые к нефтяным загрязнениям: тростник обыкновенный [Phragmiteta australas), рогозы узколистный (Typha angusfifolia¿/и широколистный (Typhalatifolia), камыш озерный (Scirpus facustris), элодея канадская (Elodea canadensis), извлеченные из мелководных участков Куйбышевского водохранилища. Для изучения симбиотической связи макрофитрв с сопутствующей микрофлорой использованы: смесь природных штаммов, а также монокультура Pseudomonas melochlöra (Winslow, 1917, 555).

Натурные исследования проведены на мелководьях Куйбышевско-"о водохранилища.

Корневые выделения получали по методу В.Р.Купревича (1954). Разделение совокупности экзометаболитов водных растений на фра:<-дии аминокислот, углеводов, органических кислот проводили по методике ПА.Филипповой, Г.АГлаголевой (1962).

Методы определения качественного и количественного состсга экзометаболитов макрофитов в онтогенезе, дыхательной, окислительной активности бактериальных культур, роста описаны в роботе <\.А.Ратушняк и др. (1990).

Гидрохимические и микробиологические параметры определяли эбщепринятыми методами (Лурье, 1934; Лебедева, 1963).

Глава 3. Исследование механизмов симбиотической связи высшей водноГз растительности и нефтеогшсляющей микрофлоры

Анализ качественного и количественного состава прижизненных выделений тростника обыкновенного, рогозов узколистного и широкоустного, камыша озерного, элодеи канадской показал, что основной {юнд экзогенных аминокислот, углеводов, органических кислот представлен группами наиболее простых по строению моноаминомонокар-5оновых, моноаминодикарбоновых, диаминомонокарбоновых кислот, лоно- и дисахаров, моно- и дикарбоновых кислот. Экзометаболиты зодной растительности специфичны ее виду, периодам вегетации.

Для каждого вида растений установлен набор основных амино-сислот, угле ссдсс, продуи.ирурмых во внешнюю среду на протяжении зеэго периода вегетации.

Общей закономерностью для всех изученных гидрофитов явилось -о, что наиболее'интенсивно процессы экзометаболизма протекали в 1ериоды активной вегетации, когда преобладали синтетические пронес-:ы, был высок уровень обмена веществ, В более ранние и более поздние :роки развития растений количественный и качественный составу их жзомотаболигов были боднео, .

В опытах были использованы макрофиты с чередующимися срокам вегетации, максимумы выделительных функций достигались не одновреме! но (рис. 1, 2, 3).

В составе экзогенных аминокислот, углеводов, продуцируемых воднь ми растениями в периоды/формирования молодых побегов, генеративнь органов доминировали глутаминовая кислота, мальтоза; к концу вегетаци

— аланин, аргинин, фруктоза, глюкоза.

Из пяти изученных видов гидрофитов наиболее интенсивно процесс экзометаболизма протекали в онтогенезе у камыша озерного, тростник обыкновенного (рис. 1 -1, V; 2,3 -1). Их прижизненные выделения были богач по качественному и количественному составу.

Часть исследований была посвящена изучению возможности напра1 ленного воздействия на экскреторную функцию макрофитов за счет азотног или фосфорного питания на примере рогоза широколистного.

Установлено, что. качественный и количественный составы прижизнеь ных выделений рогоза широколистного зависели от условий мннеральног питания. Наибольшим изменениям подвергалось количество экзогеннь фракций (как общей суммы, так и индивидуальных веществ) аминокисло углеводов, органических кислот под влиянием полной нормы азота смес Кнопа в период формирования молодых побегов (май):

- расширялся качественный состав углеводов, органических кисло общая концентрация аминокислот возрастала относительно контрог на 29% преимущественно за счет таких физиологически активнь соединений как глутаминовая (43%), аспаргиновая (35%) кислоть углеводов — на 70%, органических кислот — на 40%.

Влияние подкормки Майских побегов рогоза широколистного двойно дозой фосфора смеси Кнопа на выделительную функцию было меньшим, че, азотом. Общее содержание экзогенных аминокислот увеличивалось п сравнению с контролем на 12%, углеводов — на 36%, органических кисло

— на 29%. Количественно в опытных вариантах доминировали глутамикова кислота, валин, фруктоза, фумаровая, а-кетоглутаровая кислоты.

Влияние фосфорного питания на качественный состав экзометабол!-тов рогоза широколистного было аналогичным азотному. В июне количеств ' продуцируемых водным растением экзогенных аминокислот возрастало п сравнению с маем на 63%, углеводов -г- на 47%, органических кислот — н«

в ¿.ж А Ь В ГЛ. Е Ж 6вД£Д ВЛЕ.Ж В И. ЕЖ I XT ТГГ ПГ "2

•Рг?с. 1. Сезонные изменения концентраций аминокислот, продуциру-. емых so внешнюю среду рядом мокрофитов (метод ТХ); I • тростник, II • рогоз узколистный, III - perоз широколистный, IV -- элодея, V - комыщ,

1 - глутаминовоя кислота, 2 • аспарагиноза? кислою, 3 • аргинин, А • валин, 5 • фенилоланин, А - серии, 7 - аланин, 3 - vcthqhuh, 9 • ч триптофан, 10 • лейцин + изолейцин. : А, Б, В, Г, Д, Е, Ж - см, рис, 2.

о

ез

- - 1

О - 2

X - Л

О - А

Л - 5

Л - G

а - 7 сп -в - 9 . 0 _ Ю

/1Бв£ ZC

/5 е>-о. ж жг

BXLE IS

Рис. 2. Сезонные изменения концентраций углеводов, продуцируе мых во внешнюю среду рядом высших водных растений: I - тростник, II - рогоз узколистный, III - рогоз широколистный, IV элодея.

1 - манноза, 2 - глюкоза, 3 - фруктоза, 4 - сахароза, 5 - рамноза 6 - мальтоза, 7 - лактоза, 8 - маннит, 9 - арабиноза, 10 - рибоза А - январь, 1-я декада; Б - июнь, 2-я декада; В - июль, 2-я декада; I - июль, 3-я декада; Д - август, 2-я декада; Е - сентябрь, 2-я декада Ж - октябрь, 3-я декада.

.•менялось. Качественный состав аминокислот, углеводов не расширялся, с органических кислот — пополнялся яблочной, янтарной кислотами.

Дополнительное обеспечение рогоза широколистного в этот период сзэтоу, способствовало увеличению по сравнениюс контролем общего количестве экзогенных сминокислот на 30%, преимущественно за счет глутаминовой кислоты (22%), оланина (46%); углеводов — на 38% за счет роста концентрации всех компонентов, появления новых (маннита, лактозы); органических кислот — на "¡5% преимущественно за счет яблочной кислоты (104%).

юо

во

6 о

40-

20-

&

О

О

о

- - 1 е> -л

о

о

I

о

в А Г

л б ее

ж

О вд ж

а а £ ш

Рис. 3. Сезонные изменения концентрации органических кислот, продуцируемых во внешнюю среду рядом макрофитоз: 1-тростник,П- рогозузколистный, III-рогоз широколистный, Г/-элодея. 1 - общее количество органических кислот, 2 - количество ди- и трикарбоновых кислот. А, Б, В, Д, Е - см. рис. 2.

Роль фосфорного питания макрофита сводилась к повышению общей концентрации аминокислот на I ^ л>, I ^ситуичсстос;:с :а снег оспорпгино-вой кислоты (37%), аргинина (33%); углеводов — на 19% за счот роста концентрации всех компонентов, появления маннита; органических кислот — на 23%, в основном за счот пировиноградной (105%), яблочной (122%) кислот.

Проведенные исследования позволили заключить, что под влиянием азотного или фосфорного питСния активизировались процессы внешнего метаболизма — увеличивалось количество экскретируемых соединений, расширялся качественный состав экзогенных углеводов и органических

§ 30

с о

& 20 О

10

□ада

ООО*

■ - ?

* - в

• " 9

ш - Ю

О - II

8

ю

72

Продолжительность опыта, сут.

Рис. 4. Динамика роста Рэ. те1осЫогана модифицированной сред Мюнца с добавками нефти (600 мг/л) и аминокислот (7,5-1 СУ6 М) рН = 7,0; \ = 28'С

1 - контроль, 2 - фенилаланин, 3 - глутаминовая кислота, 4 - вали! 5 - аспарагиновая кислота, 6 - алйнин, 7 - глут'бшн, 8 - аргинин, - лейцин, 10 - серии, 11 - Мёти'бнин. кислот, причем воздействие азотной составляющей было более эффективн и зависело от сроков внесения.

Установлено, что выделения водных растений использовались девяты нефтеокисляющими микроорганизмами в суспензии, а также монокультуро Р5. те1осЫога в процессе жизнедеятельности.

Экзогенные аминокислоты, углеводы, органические кислоты был расположены в уменьшающиеся ряды по степени стимуляции ими росгг

ио

50

т

ю

в

Рис. 5, Влияние аминокислот (7^5-1СН М) на интенсивность потребления нефти Р$. гпе!осЫога (за 15 суток) рН - 7,0; Г - 28' С; 600 мг/л

1 - контроль, 2 • фенилоланин, 3 - глутаминовая кислота, 4 -асларагиновая кислота, 5 - валин, 6 - аланин, 7 - оргинин, 8 - лейцин, 9 • серии, 10 - метионин, 11 - глутомин. дыхательной активности Р$, теЬсЫога, биодефадации нефти.

Ток, аминокислоты образовывали следующие ряды по влиянию на: - рост Рэ. те!осЫога{концентрация аминокислоты 7,5-1 СИМ, рН - 6,8 - 7,0; I ~ 28° С): глутаминовая кислота > валин > фенилапанин > асларагиновая кислота > аргинин > серии > аланин > лейцин > контроль > метионин > глутамин (рис. 4},

• биодегродация нефти: глутаминовая кислота >фенилапанин > метионин

> валин > лей цин> глутомин, аспарагинсшая кислота > оломин > серим, оргинин > контроль (рис, 5); \ ■

-дыхательную активность (концентрация аминокислот 7,5-10 ?М); г лугами-ново*} кислота > валин > аланин > аргинин > мотисэнин > фенилоланин

> контроль (рис 6),

При*концентрация* аминокислот 15-10*М и 15-10"{М макснма/п.ны«>

■л

ЗО бО ЭО 120 150 180 а 10 240 г?о Продолжительность опыта. /иин.

згю

Рис. 6. Влияние аминокислот (7,510* М) на дыхание нефтеокисля-

ющей культуры Р$. теЬсЫога

(Г = 28° С, рН ■= 7,0, нефть - 2,59 г/л)

1 - контроль, 2 - аланин, 3 - аргинин, 4 - валин, 5 - глутаминовая кислота, 6 - фенилаланин.

рост Рб. те/осЫога и нефтеокисляющая способность отмочены в вариантах с глутаминозой кислотой, аланином, валином.

Аналогичные закономерности были выявлены в жизнедеятельности смеси девяти нефтеокисляющих культур в модифицированной среде Мюнца с нефтью и добавками аминокислот (оптимальная концентрация 15;10"5М).

Действие аминокислот в большинстве вариантов ускоряло прохождение лаг- и лог- фаз развития нефтеокисляющей культуры Р$. теЬсЫога,

о - а

Рис. 7. Динамика роете Рэ. те/осЫога на модифицированной среде Мюнца с добавками нефти (600 мг/л) й углеводов (5 -10"5 М) рН ~ 7,0; 1 - 28' С

1 - глюкоза, 2 - маннит, 3 - мальтоза, 4 - контроль, 5 - сахароза, 6 - лактоза.

этребление ею нефти, повышало дыхательную активность. Максималь->|й эффект достигался при использовании глутаминовай кислоты — культура юходила лаг- фазу за 2-3 часа против 24 часов в контроле; дыхательная стивность повышалась через 3 часа в 5,6 раза, численность на вторые сутки в 2,7 раза, скорость биодеградации нефти за 4 суток на 15%, за 13 суток на 21% против контроля. К концу третьих суток глутаминовая кислота гтреблялась растениями полностью (методЖХ), аланин — на 98%, валин— з 89%.

По-видимому, роль аминокиспотзаключалась в биостимуляции процес-I перестройки ферментативной системы бактериальных клеток на выработ-

адаптшных к нефти фермеров, •

19 §

О) 6 "

4 +

а

*-НЕ-

5»

1Гв~

6 б»

Рис, 8. Влияние углеводов (§■ 1М и 1 б^М [я]) но интенсивно* Потребления нефти Рв. те!осЫогц (зд 4 сутрк). (еН - 7,0, \ - 28° С, С ^ - 600 мг/л)

V- ШОТрШ!?, 2 2а - глюкоза, 3 За - маннит. А' 4о - мольто; 5 г, §д - едадррда, 6 6а - лсктоза.

Экзогенные углеводы $ оптимальных условиях (концентрация углево; 10-10"* М, рН - 6,8-7,0;28' С) образовывали следующие уменьшающие ряды по степени стимуляции:

-роста Рз. теЬсЫогаи биоокисления нефти: ма/ътоэа ^ ГЛЮКОЗО ^ СОХОрО:

> контроль > лактоза (рис 7,8); --дыхательной активности: мальтоза > маннит > сахароза > арабинозс лактоза > рамноза > глюкоза > контроль (рис. 9). V ' Максимальный рост культуры отмечался в опытах с маннитом мальтозой (5' 10 5М) на вторые сутки, При этом за 4 суток окислялось 4% неф! за 10 еугек = 25% нефти относительно контроля, с остальными сахарами > на уровне или ниже контроля, ,

Органические кислоты при оптимальной концентрации 5'Ю'*М бы/ расположены в следующие уменьшающиеся последовательности по степе! влияния на;

• рост Рз,теЬсЫога щавелево-уксусная > яблочна?. > янтарная пировиноградная> «-кетоглутаревеж > фумарешая > контроль (рис, 1

^ Продолжительность опыта. /мин.

Рйс< 9. Влияние углеводов (10-1 О^М) на дыхание нефтеокиспяющей культуры Р5. те!осЫога ,

Т - сахароза, 2 - маннит, 3 - мальтоза, 4 - арабиноза, 5 - лактоза, 6 - глюкоза, 7 - рамноза, 8 - дульцит, 9 - инозит, 10 - контроль.

- биодеградацию нефти: а- кетоглугаровая > щавелево-уксусная > янтарная

> яблочная > пировиноградная > фумаровая > контроль (рис 1

- дыхательную активность: янтарная > а-кетоглутаровая > пировиноград-

ная > щавелево-уксусная > яблочная > контроль (рис. 12).

По-видимому, влияние углеводов, органических кислот сводилось к их «стартовому» потреблению культурой в качестве легкодоступного источника углерода. Это приводило к ускорению размножения культуры, увеличению ~е численности, а следовательно, и утилизации нефти.

15

Рис. 10. Динамика роста Рэ. те!осЫога на модифицированной среде Мюнца с добавками нефти (600 мг/л) и органических кислот (5-1 О^М), 1 - контроль, 2 - а-кетоглутаровая кислота, 3 - янтарная, 4 - яблочная, 5 - фумаровая, 6 - щавелеао-уксусная, 7 - пировиноградная.

й

Полученные результаты свидетельствовали о различной физиологичоскбй активности индивидуальных аминокислот, углеводов, органических кислот, обнаруженных в прижизненных выделениях высших водных растений, относительно изученных нефтеокисляющих бактерий.

Одноразовое или дробное внесение в культуральную среду с нефтью экзометаболитов рогозов узколистного и широколистного, тростника обыкновенного, .элодеи канадской, выделенных в разные периоды вегетации в виде отдельных фракций

20

16 -I- -5-1 г-Е-

1 1 % 8 § <Ъ 1. Г -Ь -I--

1 2 га 3 За А 4а 5 .5« б б а ? ?а

Рис. 11. Влияние органических кислот (Ш-Ю^М и 5-10^М [а]) на интенсивность потребления нефти Рэ. те!осЫога (за трое суток) рН - 7,0, * - 28° С, С ^ - 600 мг/л

. 1 - контроль, 2 - а-кетоглугоровая, 3 - янтарная, 4 - яблочная, 5 -фумаровая, 6 - щавелево-уксусная, 7 - пировиноградная кислоты.

аминокислот, углеводов, органических кислот, или совокупностей в большей степени индуцировало' процесс бактериального окисления нефти, чем индивидуальные выделения. Вносимые добавки поглощались бактериями тоже избирательно, как и индивидуальные экзометаболиты.

Максимальный эффект достигался в первой декаде августа на 9 суткя при одноразовой добавке в культура льную среду совокупности экзометаболитов тростика обыкновенного—окислялось56%нефта,вконтроле—25%;численность Р$.те1осН!ога в опытном варианте на третьи сутки составляла 625 млн. кл./мл, в контроле — 330 млн. кл./мл. Экзогенные'фракции аминокислот, углеводов, продуцируемые в этот период

1олкштельность опыта (мин.)

р£зс. 12. Влияние органических кислот (5-1 О^М) на дыхание нефте-окисляющей культуру Рб. теЬсЫога (Г - 28° С, РН = 7,0, нефть - 2,59 г/л)

1 - контроль, 2 - а-кетоглутаровая кислота,3 - янтарнся, 4 - яблочная, 5 - фумаровая, 6 - щавелево-уксусная, 7 - пировиноградная кислоты.

тростником обыкноденным, также оказывали более стимулирующее влияние на процесс бактериального окисления, нефти, чем аналогичные выделения других изучаемых водных растений.

Во второй декаде сентября процесс бактериальной деструкции нефти в присутствии зсомогаболитои тростника обыкновенного, рогозов узколистного, широколистного, а также в контроле замедлялся по сравнению с августом. Влияние прижизненных оыделений водных растений на рост нефтеокисляющей культуры Р$. теЬЫога в этот период сводилось в основном к поддержанию численности бактерий на уровне контроля.

Это согласовалось с результатами исследований экскреторной деятельности водных растений, согласно которым у тростника обыкновенного, рогозов узколистного и широколистного в сентябре активность экзометаболических лроцессоз снижалась,

их прижизненные выделения становились беднее по качественному и количественному составу, содержали меньше таких физиологически активных в отношении Рэ. теЬсЫога веществ, как глутаминовая кислота, мальтоза.

В то же время совокупности выделений элодеи канадской,аминокислотная фракция во второй декаде сентября оказывали большее влияние на процесс трансформации нефти (соответственно 37%, 34%), чем аналогичные экзометаболиты, выделенные в августе (соответственно 44%, 41%) с учетом различий в контрольных вариантах двух периодов: в сентябре — 15%, в августе - 25%.

Это связано с тем, что максимум выделительной функции этого растения наблюдался в сентябре.

Дискретные добавки в культу раг.ьную среду экзометаболитов макрофитов, выделенных во второй декаде сентября, поддерживали численность культуры Рз. теЬсЫога на уровне вариантов с одноразовым их внесением, несмотря на то, что концентрация каждой из них в 4 раза меньше суммарной. Процесс бактериальной деструкции нефти в вариантах с дробными добавками совокупностей выделений изучаемых растений шел энергичнее, чем при одноразовом их бнесении, но с экзогенными фракциями аминокислот, углеводов, органических кислот — замедлялся.

Увеличение концентрации совокупности выделений рогоза узколистного в культуральной среде с нефтью в 2 раза вызывало вспышку роста культуры на вторые сутки, повышало процент окисления нефти до 37% при одноразовом и до 39% при дробном их внесении против 15% в контроле и 31% в варианте с внесением совокупности выделений в исходном количестве.'

Этот факт свидетельствовал о потенциальной возможности повышения активности бактериальной культуры в период ослабления симбиотических связей макрофитов и нефтеокисляющих бактерий за счет увеличения содержания в культуральной среде прижизненных выделений макрофита.

Рассмотренные результаты получены для процессов, происходящих в замкнутом объеме, вследствие чего значительно замедленных из-за накопления продуктов метаболизма, тяжелых фракций нефти и других причин. С целью устранения этих недостатков и приближения к реальным условиям проводились тц:оке исследования процессов бактериального разложения нефти с участием смеси наиболее физиологически активных экзометаболитов макрофитов в проточном режиме. В качестве культуральной среды использовалась модифицированная среда Мюнца или речная вода с более низким содержанием азота и фосфора (до 5 мг/л). Смесь индуцирующих веществ состояла из глутсминовой кислоты (7,5-1 О^М), валина (7,5 -10^М), мальтозы (Ю-Ю^М), маннита (Ю-Ю^М), а-кетоглутаровой кислоты (5-Ю^М), янтарной кислоты (5-10^М)(рН =■ 6,8-7,2; I - 23* С). . 0

Снижение концентрации азотной и фосфорной составляющих культуральной среды до 5 мг/л при прочих равныхуслозиях не лимитировало процесс бактериального окисления нефти. В опытных вариантах на среде Мюнца окислялось за 72 часа 86%, в контроле — 44% нефти, на речной воде — 86%, в контроле — 44% за 68 часов.

Глава 4. Количественная оценка участия водного биоценоза в формировании качества водь: мелководных участков Куйбышевского водохранилища

Комплексное обследование мелководных участков Свияжсхого залив Куйбышевского водохранилища в годовой динамике (1986-1988 годы) п профилю позволило выделить активную зону самоочищения от болыиинств гидрохимических и микробиологических показателей между створами 1 Бритвино - я Исаково. Здесь расположена гряда многочисленных заросле рогоза узколистного с вкраплениями тростника обыкновенного (длиной до км, шириной до 1,5 км). Она играла роль естественного биоплато обособленным биогидроценозом, предотвращающего распросгранени загрязнений, поступающих с прилегающих территорий и с водами притоко (рр. Аря, Свияга) по всей акватории залива. Существующие здесь уело в к (хорошая прогреваемость, небольшая скорость течения 0,1-0,6 м/ми1 способствовали развитию водного населения и установлению его контакт с загрязняющими веществами.

Для установления количественной взаимосвязи между величинам самоочищения воды мелководных участков водоемов за счет работы водног биоценоза с его геоботдническими характеристиками в онтогенезе бы выбран в качестве «модельного» участок, замыкающий на пути вод описанную выше гряду макрофитов. Его характеристики: площадь зарастани 2,8 км2, проективное покрытие-— 80%, господствующий вид — рою: узколистный, плотность зарастания — 50-70 экз./.м2, высота растений - 2,С 2,5 м; количество листьев (штук) на одном экземпляре — от 8 до 10; ширин! листа — 0,8-1,2 см, фитомасса — 4 кг/,м2, время контакта воды с участком -97 часов, глубина — 0,5-1,5 м,

Контактирование родных масс с природным биофильтром, имеющи такие геоботанические характеристики, в период активной вегетаци способствовало проявлению самоочищающей способности в поверхность слоях веды еттруднеекисляемэй органики на 36%, нефтепродуктов — 92°/< ионов аммония—28%, нитратов—34%, нитритов—34%, фосфатов — 19%, сульфатов — 10%, обшей жесткости—21%; микрофлоры: сапрофитов—97% нефтеокиотшщей — 89%, группы кишечной палочки «= 92%; в придонны;

слоях — от нефтепродуктов на 82%, фосфатов — 22%, нитратов — 33%, нитритов — 16%; микрофлоры: сапрофитов—77%, нефтеокисляющей — 77%, группы кишечной палочки — 82%.

Санирующая роль высшей водной растительности в этот период проявлялась не только в улучшении качества воды по гидрохимическим и микробиологическим показателям. Значительно повышалась биологическая полноценность воды. Установлено (Ратушняк, Горшкова и др., 1989); что в результате контакта воды с природным биофильтром численность, биомасса зоопланктонного комплекса повышались в 5 раз, индекс видового разнообразия достигал 3,5, а вода изобиловала зоопланктоном, представленным различными составляющими его группами, приуроченными к олиго-, олиго-Р-мезосапробным зонам обитания.

Участие водных растений в процессах самоочищения определялось их механическими и биологическими функциями, в том числе способностью продуцировать стимуляторы и потреблять ингибиторы роста бактерий, основных деструкторов загрязнений. Их основная масса сосредоточена в обрастаниях макрофитов. Так, в перифитоновой формации рогоза узколистного численность кишечной папочки в июне достигала 28-10'° кл/см2, сапрофитов — 14-Ю7 кл/см2, в то время как в основной массе воды, протекающей через заросли растений — на несколько порядков ниже.

В поздне-осенний период (3-я декада октября) картина менялась. Самоочищающая способность воды после контакта с природным биофильтром снижалась по сравнению с августом и составляла в поверхностных слоях воды от нефтепродуктов — 50%, гидрокарбонатов — 6%, хлоридов — 9%, общей жесткости—4%, нитратов — 21 %; микрофлоры: сапрофитов — 75%, группы кишечной палочки — 88%.

В то же время в воде после контакта с фитогидроценозом увеличивалось содержание трудноокисляемой органики на 13%, сульфатов — 10%, кальция —. 7%, фосфатов — 11%, ионов аммония — 10%, .нефтеокисляющей микрофлоры—43%. ...

В это время метаболические процессы затухали, ослабевали симбио-тические связи гидробиоценоза, санирующая роль фитогидроценоза снижалась. Благотворного влияния природного биофильтра на развитие зоопланктонного комплекса не выявлено. Часть веществ, удерживаемая растениями весь вегетационный период, выделялась в воду, ухудшая ее качество.

Выводы

1. Количественный и качественный составы прижизненных выделений тростника обыкновенного, рогозов узколистного и широколистного, камышо озерного, элодеи канадской специфичны виду растения, периодам вегетации, условиям азотного или фосфорного питания.

2. У изученных видов макрофитов наиболее интенсивно процессы внешнего метаболизма осуществлялись в периоды активной вегетации: у рогозов узколистного и широколистного — в июле, тростника обыкновенного, камы!Ш озернеге ^ в августе; элодеи канадской -- в сентябре.

3. Наиболее высокую биологическую активность, регулирующую процессы роста, окислительной, дыхательной активности бактериальных культур, проявили индивидуальные экзометаболиты, продуцируемые изученными видами водных растений: глутаминовая кислота, валин (15106М), мальтоза, маннит (10-10"4М), а-кетоглутаровая, янтарная, (10-10'6М) кислоты, а также совокупность прижизненных выделений тростника обыкновенного, камыша озерного.

4. Выявлено, что окислительная активность культуры Рв. теЬсЫога в период интенсивной экскреторной деятельности макрофитов связана с доминированием в составе экзометаболитов макрофитов аминокислот, углеводов, органических кислот, которые предпочтительнее потреблялись бактериями в процессе жизнедеятельности и оказывали на них большее физиологическое воздействие. Симбиотические связи высшей водной растительности и нефтеокисляющей микрофлоры к концу вегетационного периода ослаблялись из-за повышения в составе прижизненных выделений гидрофитов доли веществ физиологически малоактивных в отношении бактерий.

5. Показана потенциальная возможность повышения активности процесса бактериального окисления нефти культурой Р§. тсЬсЫога в период ослабления симбиотических связей макрофитов и микрофлоры за счет увеличения концентрации совокупности выделений растений в культуральной сред©.

6. Установлено, что при культивировании Ps. melochlora в модифицированной среде Мюнца с нефтью и смесью наиболее физиологически активных экзометаболитов макрофитов в проточном режиме при оптимальных условиях окислялось 80-85% нефти (в контроле 40-45%).

7. Выявлена количественная связь между величинами самоочищающей способности воды и геоботаническими характеристиками водного биоценоза в периоды активной вегетации и отмирания.

8. Показано, что в период активной вегетации санирующая роль фитогидроценоза проявлялась в улучшении качества воды по гидрохимическим, микробиологическим, гидробиологическим показателям, повышении биологической полноценности воды.

Основные положения диссертационной работы отражены в публикациях:

1. Исследование ускорения биодеградации углеводородов нефти метаболитами макрофитов. VII съезд Всесоюзного микробиологического общества: тез. докл. Алма-Ата, 1986 г., с. 125 (в соавторстве с Морозовым Н.В.).

2. Комплексная оценка влияния зйрослей высших водных'растений на процесс формирования качества воды Некоторых плесовых участков Куйбышевского водохранилища. Материалы XXIXВсесоюзного гидрохимического совещания, 1987 г., Ростов-на-Дону, с. 104-105 (в соавторстве с Морозовым Н.В., Горшковой А.Т., Краснопёровой И.А. и др.).

3. Комплексная оценка'формирования качества воды Куйбышевского водохранилища в условиях антропогенного загрязнения. Состояние и перспективы развития методологических основ химического и биологического мониторинга поверхностных вод суши. Материалы XXIX Всесоюзного гидрохимического совещания, 1987 г., Ростов-на-Дону, с. 75-76 (в соавторстве сМорозовым Н. В., Красноперовой И. А., Софроновой Е.М. и др.). -

4. Последствия "антропогенного влияния на Куйбышевское водохранилище, пути их ликвидации. Материалы Всесоюзного совещания. Свердловск, 1987рс. 82-83 в соавторстве с Морозовым Н.В.).

5. Биоинженерные сооружения регулирования качества воды: опыт разработки, знедрения и перспективы развития. Проблемы окружающей среды и природных оесурсов. Материалы межведомственного маучно-технического совета по комплексным проблемам окружающей природной среды и рациональному использованию юиродных ресурсов при Госкомитете СССР по науке и технике. Москва, 1987,

приложение № 2 (65), с. 50-60 (в соавторстве с Морозовым Н.В., Петровой Р.Б.).

6. Последствия антропогенного загрязнения Куйбышевского водохранилища и пути их ликвидации. Экологические проблемы Волги. Тез. 'докл. региональной конференции. Саратов, 1989, ч.1, с 108-109 (в соавторстве с Николаевым В.Н.).

7. Санирующая роль высшей водной растительности на мелководьях Куйбышевского водохранилища. Экологические проблемы Волги. Тез. докл. региональной конференции. Саратов, 1989, ч.2, с. 164-165 (в соавторстве с Голубевой ИД, Шпак Т.Л.).

8. Формирование качества воды зарегулированных водоемов в условиях интенсивного хозяйственного использования. Прогноз и регулирование качества воды. Сб. науч. работ. Красноярск, 1989, с. 68-74 (в соавторстве с Красноперовой ИА, Софроновой Е.М.). ■ '

9. Комплексная оценка роли высшей водной растительности в процессе формирования качества воды Куйбышевского водохранилища. Проблемы мелиорации и водного хозяйства Урала. Сб. науч. работ. Красноярск, 1989, с 142-150 (в соавторстве с Красноперовой И.А., Горшковой А.Т., Плехановой В.А.).

10. Механизмы симбиотической связи высшей водной растительности и нефтеокисляющей микрофлоры. Рациональное использование и охрана природных вод бассейна Средней Волгл-. Сб. науч. трудов. Свердловск, 1990, с. 103-121 (в соавторстве с Черногоровой М.Г„ Габдуллиным М.Г., Лободой В.И.).

11. Факторы, формирующие качество воды водоемов (на примере Куйбышевского водохранилища). Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод мероприятиями на водосборах; Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции. Свердловск, 1991, с, 26-27.

12. Влияние азотного и фосфорного питания на экскреторную функцию высшей водной растительности. Эколого-экрномичсские исследования водно-земельных ре--сурсовУрала. Сб. науч. статей. Свердловск, 1991, с. 124-130,

13. Изуче-чие механизмов санирующей роли водного биоценоза. Управление водным хозяйством России. Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции. Екатеринбург, 1992, с. 75.

14. Последствия антропогенного загрязнения Куйбышезскаго водохранилища и некоторые пути их ликвидации. Гидробнологический журнал. Киев, 1993 (совместно с Мережко А.И., Ткачуком Н.Г.) - в печати.