Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль прижизненных выделений высшей водной растительности в процессах самоочищения воды

ВАК РФ 03.00.18, Гидробиология

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

я» ив

* «а»

Институт экологии природных систем АН Татарстана

На правах рукописи

УДК526.3-Т:572.8.095.33

Ротушняк Анна Апекссшдрсвна

Роль прижизненны:!: выделений ' высшей водной растительности в процессах самоочищения воды

Специальность 03.00,18 — гидробиология

Автореферат гтггфртапии на соискание учёной стспс1пг кандидата биологических иаук

Казань - 1993

Работа выполнена в Институте экологии природных систем АН Татарстана

Научный руководитель — доктор биологических наук

А.И.Мережко

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Л.О.Эйнор

кандидат биологических наук В.М.Хромов

О едущее учреждение — Институт биологии внутренних вод

имени ИД.Папанина РАН

Защита диссертации состоится « »__ 1993 г.

в «_ч._мин.» в помещении ББА на заседании Специализированного Совета Д.053.05.71 при Московском государственном университете имени М.В-Помоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан «__» __■ - - ' - - 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат биологических наук

А.Г.Дмитриева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА 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 оказатьчвлияния на жизнедеятельность других представит елей гидробиоценоза, в том числе микрофлоры, играющей'решающую роль в детоксикации загрязнений. Показано (Морозе?, 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 зкзометаболч-

тов пяти видов высших водных растений в онтогенезе;

- исследовать воздействие азотного и фосфорйого питания макро-

фитов на их экскреторную функцию;

изучить влияние индивидуальных экзометаболитов, или всей ' совокупности, отдельных фракций аминокислот, углеводов, органических кислот, продуцируемых разными видами макрофйтоз

на рост, дыхательную, окислительную активность смеси нефтео-кисляющих культур и монокультуры Pseudomonas melochlora в статике и в условиях хемостата; - дать количественную оценку роли макрофитов в процессах самоочищения воды в естественных условиях (на примере 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 вкладв 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 биоокиспения 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 включе! <ы в «Пособие по комплексной оценке влияния водохранилищ на водно-земельные ресурсы, переформирование и зарастание берегов и др.» 991 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 мониторинга поверхностных вод суши»(Ростов-на-Дону, 1987 год);

Всесоюзном совещании «Совершенствование системы управления и контроля ■использованием и охраной оо/\ в СССР на 'базе объединенных региональных BXG> (Свердловск, 1987 год);

Региональной конференции «Экологические проблемы Волгт (Саратов, 1989 год);

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

Конференции «Экосисгемный 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 объем 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 работы

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.

Глава 2. Объекты и методы исследований

Объектами исследований служили высшие водные растения, наиболее распространенные в средней полосе России, устойчивые к нефтяным загрязнениям: тростник обыкновенный [Pbragmifeta austral^, рогозы узколистный (Typha angustifolia L)v\ широколистный (Fyphalatifolia), камыш озерный (Scirpus lacusfris), элодея канадская (E/odea 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 Куйбышевского водохранилища.

Корневые выделения получали по методу В.Р.Купревича (1954). • Разделение совокупности экзометаболитов водных растений на фракции аминокислот, углеводов, органических кислот проводили по методике ПАФилипповой, ГАГлаголевой (1962).

Методы определения качественного и количественного состава экзометаболитов макрофитов в онтогенезе, дыхательной, окислительной активности бактериальных культур, роста описаны в работе ААРатушняк и др. (1990).

Гидрохимические и микробиологические параметры определяли общепринятыми методами (Лурье, 1С34; Лебедева, 19Ó3).

Глава 3. Исследование мехакизглоз симбиотической связи высшей водной растительности и нефтеоссислпющей микрофлоры

Анализ качественного и количественного состава прижизненных выделений тростника обыкновенного, рогозов узколистного и широколистного, камыша озерного, элодеи канадской показал^ что основной фонд экзогенных аминокислот, углеводов, органических кислот представлен группами наиболее простых построению моноаминомонокар-боновых, моноаминодикарбоновых, диаминомонокарбоно8ых кислот, моно- и дисахаров, моно- и дикарбоновых кислот. Экзометаболиты водной растительности специфичны ее виду, периодам вегетации.

Для каждого вида растений установлен набор основных аминокислот, углсссдсс, "ро,п,у'«рупмых во внешнюю среду на протяжении всего периода вегетации.

Общей закономерностью для всех изученных гидрофитов явилось то, что наиболее интенсивно процессы экземегаболизма протекали в периоды активной вегетации, когда преобладали синтетические процессы, был высок уровень обмена веществ, В более ранние и более поздние сроки, развития растений количественный, и качественный составы их экзометаболитов были беднее, •.

В опытах были использованы макрофиты с чередующимися сроками вегетации, максимумы выделительных функций достигались не одновременно (рис 1, 2, 3).

В составе экзогенных аминокислот, углеводов, продуцируемых водными растениями в периоды формирования молодых побегов, генеративных органов доминировали глутаминовая кислота, мальтоза; к концу вегетации — аланин, аргинин, фруктоза, глюкоза.

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

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

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

- расширялся качественный состав углеводов, органических кислот; общая концентрация аминокислотвозрасгала относительно контроля на 29% преимущественно за счет таких физиологически активных соединений как глутаминовая (43%), аспаргиновая (35%) кислоты; углеводов — на 70%, органических кислот— на 40%.

Влияние подкормки Майских побегов рогоза широколистного двойной дозой фосфора смеси Кнопа на выделительную функцию было меньшим, чем азотом. Общее содержание экзогенных аминокислот увеличивалось по сравнению с контролем на 12%, углеводов — на 36%, органических кислот —на 29%. Количественно в опытных вариантах доминировали глутаминовая кислота, валин, фруктоза, фумаровая, а-кетоглутаровая кислоты.

Влияние фосфорного питания на качественный состав экзометаболи-тов рогоза широколистного было аналогичным азотному. В июне количество • "продуцируемых водным растением экзогенных аминокислот возрастало по сравнению с маем на 63%, углеводов -т- на 47%, органических кислот — не

2.0О №■• т.

Шу

9 w

30

■Pite. 1. Сезонные изменения концентраций оминокислот, продуциру-. емых во внешнюю среду рядом макрофитов (метод ТХ): I «троётник, II - рогоз узколистный, III - рогоз широколистный, IV^oj;«, V«камыш.

1 - глутаминавяя кислота, 2 • оспорагиновдя кислота, 3 • аргинин, 4 -валин, 5 - фенилалднин, 6 - серии, 7 ■ аланин, 8 - метионии, 9 ■ триптофом, 10 - лейцин + изолейцин. А, Б, В, Г, Д, Е, Ж - см. ряс. 2,

tooo-

80 о

э goo

3i

Aoo

200-

<2> - 2. X. - 3 <S> ~ A Л - 5

-e

a - ? cn -8

- -9

. О _ Ю

¿5 в -Л Ж X

a see zr

s

ш

В. A. E ЛГ

Рис. 2. Сезонные изменения концентраций углеводов, продуцируемых 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; Г - 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, а органических кислот — пополнялся яблочной, янтарной кислотами.

Дополнительное обеспечение рогоза широколистного в этот период азотом способствовало увеличению по сравнению с контролем общего количества экзогенных аминокислот на 30%, преимущественно за счет глутаминовой кислоты (22%), аланина (46%); углеводов — на 38% за счет роста концентрации всех компонентов, появления новых¡маннита, лактозы);органических кислот—на 15% преимущественно за счет яблочной кислоты (104%).

«л

СО

о о

loo-

80

во

АО

so- -

о

II

е>

о

о

сэ

- - {

G> -2.

О

О

©

о

в А I

б

XL

е вд ж

ЗЛЕ Ш

Рис. 3.' Сезонные изменения концентрации органических кислот, продуцируемых во внешнюю среду рядом макрофигоз: I - тростник, II - рогоз узколистный, III - рогоз широколистный, IV -элодея. 1 - общее количество органических кислот, 2 - количество ди- и трикарбоновых кислот. А, Б, В, Д, Б - см. рис. 2.

Роль фосфорного питания макрофита сводилась к повышению общей концентрации аминокислот на 157», ирсптуЩсстсг;;::о зсз смет аспорогино-вой кислоты (37%), аргинина (33%); углеводов на 19% за счет роста концентрации всех компонентов, появления маннита; органических кислот — на 23%, в основном за счет пировиноградной (1059о), яблочной (122%) кислот.

Проведенные исследования позволили заключить, что под влиянием азотного или фосфорного питания активизировались процессы анешнего метаболизма — увеличивалось количество экскротируемых соединений, расширялся качественный состав экзогенных углеводои и органических

I

60

Щ

Щ 50

а о.

^ ао

ас

«О

^ 30

ь

о ^

& 20 О

/0

ооа*

О -1 • -г А-З я * • - ? - 8 - 9

а> -10

♦ -5 @ -11

о-6

г « б & ю 12 ЙроЪолкителыюсть опыта, су т.

Рис. 4. Динамика роста Р$. те1осЫога на модифицированной сред< Мюнца с доббвками нефти (600 мг/л) и аминокислот (7,5-10* М) рН = 7,0;} = 58' С

1 - контроль, 2 - фенилапанин, 3 - глугаминовая кислота, 4 - валин 5 - оспарогиновая кислою, 6 - алйнин, 7 - глуГйШ«/ 8 - аргинин,-' - лейцин, 10 - серии, Т * Штиенин. . кислот, причем воздействие азотной составляющей было болёё эффёетИбнс и зависело от сроков внесения. .

Установлено, что выделения водных растений использовались девятьк нефтеокисляющими микроорганизмами в суспензии, а также монокультуро! Рэ, теЬсЫога в процессе жизнедеятельности.

Экзогенные аминокислоты, углеводы, органические кислоты был1 расположены в уменьшающиеся ряды по степени стимуляции ими росте

<.о

50

Р0

ю

"Г"

Рис. 5, Влияние аминокислот (7,5-1М) на интенсивность потребления нефти Р$. тЫосЫога (за 15 суток) рН - 7.0; г- 28' С; С ^^ - 600 мг/л

1 - контроль, 2 * фенилаланин, 3 - глутаминовая кислота, 4 -оспарагиновая кислота, 5 - валин,6-аланин, 7 - аргинин,8 - лейцин, 9 • серин, 10 • метионин, 11 - глутамин. дыхательной активности Р$, теЬсН/ога, биодеградации нефти.

Так, аминокислоты образовывали следующие ряды по влиянию на: - рост Рэ. л1е/ос/)/ого(концентрация аминокислоты 7,5-10'6М, рН - 6,8 - 7,0; I - 28° С): глутаминовая кислота > валин > фенилаланин > аслара-гиновая кислота > аргинин > серин > аланин > лейцин > контроль > метионин > глутамин (рис. 4),

■ биодеградация нефти; глутаминовая кислота > фенилаланин > метионин

> валин> лейцин^ глутамин, оспарагиновая кислота > аланин > сорим, оргинин > Контроль (рис, 5); .

■ дыхательную активность (концентрация аминокислот 7,5-10'М); г путами. нова?} кислота > валин > аланин > аргинин > метионин > фенилаланин

> контроль (рис. 6),

При* концентрация* аминокислот 1510 и 15-10'5М максимальные

Продолжительное/ль опита лшн.

Рис. 6. Влияние аминокислот (7,5-10^ М) на дыхание нефтеокисля-ющей культуры Рз. теЬсЫога

= 28" С, рН - 7,0, нефть - 2,59 г/л) 1 - контроль, 2 - аланин, 3 - аргинин, 4 - валин, 5 - глутаминовая кислота, 6 - фенилаланин.

рост Рз. те1осИ1ога\л нефтеокисляющая способность отмечены 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 лог- и лог- фаз развития нефтеокисляющей культуры Рэ. те1осЫого,

о - а

Рис. 7. Динамика роста Рз. те!осЫого на модифицированной среде Мюнца с добавками нефти (600 мг/л) й углеводов (5 -10"5 М) рН = 7,0; I - 28* С

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

потребление ею нефти, повышало дыхательную активность. Максимальный эффект достигался при использовании глугаминовай кислоты — культура проходила лаг- фазу за 2-3 часа против 24 часов в контроле; дыхательная активность 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 потреблялась растениями полностью (методЖХ), апанин — на 98%, валин — на 89%. "

По-видимому, роль аминокислот заключалась в биостимуляции процесса перестройки ферментативной системы бактериальных клеток на выработку адаптивных к нефти ферментов. ■

19-&

а* б

а; А +

си

и-

—Е-

ж»

рис, 8. Влия ни# угле^одрз (§• 1 (Н М и 1 {ИМ [б]) н9 интенси вность Потребления нефти Рэ. те1ос1г1огд (за 4 рутрк). (рН - ' * С, С 600 мг/п)

1 г 2 ~> 2а - глюкоза, 3 -, За - маннит, 4'-, 4а - мальтозо,

5 -, - едш&РЭР, 6 6о - лактоза.

10-10"6 М, рН - 6,8-7,0; 1 я 28° С) образовывали следующие уменьшающиеся ряды по степени стимуляции:

-роста Р$. теЬсЫогои биоокисления неф™: мо/ьтозо > глюкоза ^ сахароза

> контроль > лактоза (рис 7,8); -дыхательной активности: мальтоза > маннит > сахароза? арабиноза > лактоза > рамноза > глюкоза > контроль (рис, 9), V ' Максимальный рост культуры отмечался в опытах с маннитом или мальтозой (5-1 (ИМ) на вторые сутки. При этом за 4 суток окислялось 4% нефти, за 10 еугек—25% нефти относительно контроля, с остальными еекорами — на уровне или ниже контроля. • V

Органические кислоты при оптимальней концентрации 5-КИМ были расположены 1 следующие уменьшающиеся последовательности по степени влияний на: .

• роет Рв.теЬсЫога щавелово-уксусная » яблочная > янтарная > пиравинэградная > а-кетоглутаровая >. фумарэвая > кошрэль (рис. 10),

1

■ л ПроЗюлжшпСлыюспкг опыта. ушн.

Рис< $, ВлияиИёуглеводов (Ю-Ю^М) на дыхание нефтеокисляющей культуры Р$. те/осЬЬпз . ' .

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

- ёиодеградацию нефти: а- кетоглуторовая > 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 ее численности, а следовательно, и утилизации нефти.

15

Рис. 10, Динамика роста Рэ. те!осЫога но модифицированной среде Мюнца с добавками нефти [600мг/л) и органических кислот (5-Ю^М), 1 - контроль, 2 - а-кетоглугаровая кислота, 3 - янтарная, 4 - яблочная, 5 - фуморовая, 6 - щавелево-уксусная, 7 - пировиноградная.

л

Полученные результаты свидетельствовали о розничной физиологическйй активности индивидуальных аминокислот,углевадоз,органичсскихкислог,обноружен-ных в прижизненных выделениях высших водных растений, относительно изученных мефтеокисляющих бактерий.

Одноразовое или дробное внесение в культуральную среду с нофтыо экзомотоболитои рогозов узколистного и широколистного, тростника обыкновенного, элодеи канадской, выпаленных в разные периоды вегетации в виде отдельных фракций '

16

л

3

Б

8£

12

ос

I

I

й»

г

1 2 2 а 3 За 4 4а 5 .*<* б 6« ? ?а

Рис. 11. Влияние органических кислот (10-1 О^М и 5- [а]) на интенсивность потребления нефти Рг. теЬсЫога (за трое суток)

рН 7А 1«• 28° С, С

исхмефти

- 600 мг/л

. 1 - контроль, 2 - а-кетоглутаровая, 3 - янтарная, 4 - яблонная, 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 сутх* при одноразовой добавке в кулыуральную среду совокупности экзометаболитов тростника обыкновенного—окислялось56% нефти, в контроле —'25%; численность Р&. те/осЫога 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

8

Оа юо'

8060 • 40

го!

Продолжительность опыта (мин.}

Рис. 12. Влияние органических кислот (5-ТО^М) на дыхание нефте-окисляющей культура Р& те/асМога - 28" С, РН = 7,0, нефть - 2,59 г/л} 1 - контроль, 2 - сс-кетоглутаровая кислота,.3 - янтарная, 4 - яблочная, 5 - фуморовая, 6 - щавелево-уксусная, 7 - пировиноградная кислоты.

тростником обыкновенным, 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 о присутствии экземогабелите» тростника обыкновенного, рогозов узколистного, широколистного, а также в контроле замедлялся по сравнению с августом. Влияние прижизненных выделений водных растений на рост нефтеокисляющей культуры Рэ. теЬЫога в этот период сводилось в основном к поддержанию численности бактерий на уровне контроля.

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

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

В то же время совокупное™ 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 куАьтураг.ьную среду экзометаболитов макрофитов, выделенных во второй декаде сентября, поддерживали численность культуры Рб. теЬсЫога но 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 внесении, но с экзогенными фракциями аминокислот,углеводов, органических кислот — замедлялся.

Увеличение концентрации совокупности выделений рогоза узколистного в культуральной среде с нефтью в 2 роза 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 активное™ 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 также 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 сболее низким содержанием азота и фосфора (до 5 мг/л). Смесь индуцирующих веществ состояла из глутаминовой кислоты (7,5-Ю^М), валина (7,5 ЛС^Щ, мальтозы {Ю-Ю^М), маннита (Ю-Ю^М), а-кетоглугаровой кислоты {5-1СНМ), янтарной кислоты (5-104М)(рН = 6,8-7,2; I = 28" 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 но 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 воды мелководных участков Куйбышевского водохранилища

Комплексное обследование мелководных участков Свияжского залива Куйбышевского водохранилища в годовой динамике (1986-1988 годы) по профилю позволило выделить активную зону самоочищения от большинства гидрохимических и микробиологических показателей между створами д. Бритвино - я Исаково. Здесь расположена гряда многочисленных зарослей рогоза узколистного с вкраплениями тростника обыкновенного (длиной до 4 км, шириной до 1,5 км). Она играла роль естественного биоплато с обособленным биогидроценозом, предотвращающего распространение загрязнений, поступающих с прилегающих территорий и с водами притоков (pp. Аря, Свияга) по всей акватории залива. Существующие здесь условия (хорошая прогреваемость, небольшая скорость течения 0,1-0,6 м/мин) способствовали развитию водного населения и установлению его контакта с загрязняющими веществами.

Для установления количественной взаимосвязи между величинами самоочищения воды мелководных участков водоемов за счет работы водного биоценоза с его геоботаническими характеристиками в онтогенезе был выбран в качестве «модельного» участок, замыкающий на пути воды описанную выше гряду макрофитов. Его характеристики: площадь зарастания 2,8 км2, проективное покрытие.— 80%, господствующий _вид — рогоз узколистный, плотность зарастания — 50-70 экз./.м2, высота растений - 2,02,5 м; количество листьев (штук) на одном экземпляре — от 8 до 10; ширина листа—0,8-1,2 см, фитомасса — -4 кг/,м 2, время контакта воды сучастком — 47 часов, глубина 0,5-1,5 м,

Контактирование родных масс с природным биофильтром, имеющим такие г©эб©танич§еки© характеристики, в период активной вегетации способствовала проявлению самоочищающей способности в поверхностных слоях веды ет трудноекисляемой органики на 36%, нефтепродуктов — 92%, ионов аммония—28%, нитратов—34%, нитритов—34%, фосфатов—19%, еульфетев —• 10%, общей жесткости -=21%; микрофлоры; сапрофитов—97%, нефтеокиепяющей — 89%, группы кишечной палочки — 92%; в придонных

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 комг-лекса повышались в 5 раз, индекс видового разнообразия достигал 3,5, а вода изобиловала зоопланктоном, представленным различными составляющими его группами, приуроченными к олиго-, олиго-p-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 палочки в июне достигала 28-Ю10 кл/см2, сапрофитов — 14-107 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 савгустоми составляла в поверхностных слоях воды от нефтепродуктов — 50%, гидрокарбонатов — ¿%, 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 зовплан-ктонного 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, камыша озерного, элодеи канадской специфичны виду растения, периодам вегетации, условиям азотного или фосфорного питания.

2. У изученных видов макрофитов наиболее интенсивно процессы инешнего метаболизма осуществлялись в периоды активной вегетации: у рогозов узколистного и широколистного —■ в июле, тростника обыкновенного, камьщш озерного — 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: ппутаминовая кислота, валин (15-10'6М), мальтоза, маннит (10-10 АМ), а-кетоглутаровая, янтарная, (Ю-Ю^М) кислоты, а также совокупность прижизненных выделений тростника обыкновенного, камыша озерного.

4. Выявлена, что окислительная активность культуры Рэ. те/осЫога 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 нефтеокисяяющей микрофлоры к концу вегетационного периода ослаблялись из-за повышения в составе прижизненных выделений гидрофитов доли веществ физиологически малоактивных в отношении бактерий,

3. Показана потенциальная возможность,повышения активности процесса бактериального окисления нефти культурой Р§, теЬсНога в период ослабления симбиотических связей макрофитов и микрофлоры за счет увеличения концентрации совокупности выделений растений в сультуральной среде, : .

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 диссертациомнсй работы отражены в публикациях:

Т. 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 XXIX Всесоюзного гидрохимического совещания, 1987 г., Ростов-на-Дону, с. 104-105 (в соавторстве с Морозовым Н.В., Горшковой А.Т., Красноперовой 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^. 75-76 {в соавторстве с Морозовым!-). 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, внедрения и перспективы развития. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. Материалы межведомственного научно-технического совета по комплексным проблемам окружающей природной среды и рациональному использованию природных 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 Болт. Тез. докл. региональной конференции. Саратов, 198?, 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, 198?, 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 Краснолеровой И А, Софроновой Е.М.). " ' - г

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 Краснолеровой 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 Волм. Сб. науч. трудов. Свердловск, 1990, с. 103-121 (в соавторстве с Черногоровой М.Г„ Габдулпиным 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 № водосборах, Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции. Свердловск,, 1991, с. 26-27, .

12. Влияние азотногои фосфорного питания на экскреторную функцию высшей водной растительности. Эколого-экономические исследования водно-земельных ресурсов Урала. Сб. науч. статей. Свердловск, 1??1, с. 124-130.

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

14. Последствия антропогенного загрязнения Куйбышевского водохранилища и некоторые пути их ликвидации. Гидробиологический журнал, foies, 1993 (совместно с Мережко А.И., Ткачуком H J.) - в печати.