CC BY
29
УДК574.635; 574.522; 574.587
ДИНАМИКА МИНЕРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА И ФОСФОРА В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ В ПРИСУТСТВИИ ВШББЕЫЛ БиСЕ№1Б
© 2016 Е.А. Шашуловская, С.А. Мосияш
Государственный научно-исследовательский институт озерного и речного рыбного хозяйства им. Л.С. Берга, Саратовское отделение
Статья поступила в редакцию 10.05.2016
Представлены результаты лабораторных исследований влияния вида-эдификатора Нижневолжских водохранилищ двустворчатого моллюска Dreissena bugensis на динамику основных биогенных элементов. Показано, что в результате жизнедеятельности дрейссена выделяет значительные количества нитратов и фосфатов в окружающую среду, что в пересчете на 1 г биомассы составляет около 0,03 мгМ/сут и 0,001 мгР/сут. Кроме того в присутствии дрейссены существенно ускоряются процессы нитрификации. Полученные данные могут послужить основой для приближенного расчета влияния D. bugensis на режим биогенных элементов в воде водохранилищ. Ключевые слова: моллюски, Dreissena bugensis, водохранилища, минеральные формы азота и фосфора.
Доминирующим видом бентофауны нижневолжских водохранилищ в настоящее время является двустворчатый моллюск - Dreissena bugensis [1]. Он часто встречается во всех зонах водохранилища, за исключением глубоко вдающихся в сушу сильно заросших высшей водной растительностью устьев притоков и затопленных пойм. На Волгоградском водохранилище средняя биомасса D. bugensis составляет около 1400 г/м2. При массовом развитии в водоемах эти моллюски являются видами эдификаторами, обладающими сильно выраженной средообразующей способностью [2]. Как моллюски-фильтраторы за вегетационный сезон они способны отфильтровать объем воды, в 2,5 раза превышающий объем Волгоградского водохранилища, накапливая в своих мягких тканях значительную часть загрязняющих веществ. Роль дрейссены в потоках биогенных элементов достаточно сложна. С одной стороны, это аккумуляция запасов азота и фосфора в биомассе и тем самым вывод их из круговорота на значительное время; с другой - прижизненные выделения биогенных элементов в процессе метаболизма и разложение мягких тканей отмерших моллюсков [3]. Суммарный поток экскретируемого моллюсками азота и фосфора (биологически доступных биогенных элементов, способных включаться в биологический круговорот), по мнению некоторых авторов, сопоставим с годовой внешней биогенной нагрузкой [4]. Вместе с тем в литературе практически отсутствуют количественные данные по аккумуляции или экскреции D. bugensis основных биогенных элементов.
Шашуловская Елена Александровна, кандидат биологических наук, заведующая сектором гидрохимии и экологической токсикологии. E-mail: [email protected] Мосияш Светлана Александровна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник сектора гидрохимии и экологической токсикологии. E-mail: [email protected]
Цель настоящего исследования - оценить влияние D. bugensis на динамику основных биогенных элементов - минеральных форм азота и фосфора в лабораторных условиях. Инкубацию дрейссены проводили в водных системах объемом 11 л в сентябре - октябре 2015 г. при температуре 18 ± 2°С. В качестве культивационной среды использовали природную волжскую воду при постоянном аэрировании в течение всего эксперимента. Исследования проводили в трех вариантах: I - волжская вода, II - волжская вода + соединения аммонийного азота и фосфора в концентрации 1ПДК для рыбохозяйственных водоемов (0,388 мгЫ/дм3 + 0,15 мгР/дм3), III - волжская вода + соединения аммонийного азота и фосфора в концентрации 10 ПДК. В каждом варианте в качестве контроля использовали аквариум без дрейссены и опытный - с внесением моллюсков в количестве 250 г. В эксперименте использовали экземпляры, выловленные в литоральной зоне Волгоградского водохранилища. Средняя длина особей составила 18,6 ± 0,5 мм, возраст 1-3 года. Длительность эксперимента - 20 суток. Пробы на химический анализ воды отбирали в начале инкубации, а также на 1, 3, 5, 10, 15 и 20 сутки опыта. Оценку качества воды производили по следующим показателям: рН, содержание минеральных форм азота, минерального фосфора, органического вещества по ХПК, перманганатной окисляемости и БПК5 [5].
Величина рН изменялась во всех вариантах эксперимента в пределах 8,0 - 8,65, при этом значения рН в присутствии дрейссены были несколько ниже. Внесение биогенных элементов на реакцию среды влияния не оказывало.
Содержание органического вещества (ОВ) по трем показателям в течение эксперимента снижалось до минимальных значений на десятые сутки опыта, затем стабилизировалось. Внесение
биогенов на концентрации органического вещества влияния не оказывало, как и присутствие дрейссены. В вариантах с моллюсками динамика ОВ характеризовалась такими же значениями, как и в контроле.
На рис. 1 представлены данные эксперимента с дрейссеной в волжской воде без внесения биогенов. Через 2 часа после внесения Б. Ьщвпз1з в воде повысилось содержание всех трех форм азота и фосфора.
Содержание аммония в контроле было невысоким. Уже через сутки эксперимента концентрация Ы-ЫИ4+снизилась до аналитического нуля (<0,05 мг/дм3). На 3 - 10 сутки наблюдался некоторый подъем аммония, вероятно за счет процесса аммонификации ОВ. В аквариумах с дрейссеной содержание Ы-ЫИ4+ постепенно снижалось с 0,8 мг/дм3 до аналитического нуля.
Концентрация нитритов изменялась в контроле от 0,003 до 0,088 мг/дм3 с подъемом на 5 сутки одновременно с аммонием. В аквариумах с дрейссеной содержание нитритов было суще-
ственно выше: 0,037 - 0,367 мг/дм3. Максимальная концентрация наблюдалась также на 5 сутки. Количество нитратов и фосфатов в контроле было невысоким в течение всего периода исследования. В аквариумах с дрейссеной содержание нитратов и фосфатов существенно увеличивалось на протяжении 20 суток (рис. 1).
Экспериментальные данные с внесением аммонийного азота и фосфора в количестве 1 ПДК представлены на рис. 2.
В контрольных аквариумах к 10-м суткам опыта происходило постепенное снижение содержания аммония до аналитического нуля и возрастание нитритов и нитратов. В последующие 10 суток количество нитритов снизилось до 0,135 - 0,140 мг/дм3, а нитратов увеличилось по сравнению с началом опыта в 2 раза. В аквариумах с дрейссеной концентрация аммония также снижалась до минимума на 10 - 15 сутки, количество нитритного азота в конце эксперимента было ниже контрольного в 3 раза. В присутствии моллюсков концентрация нитратов на 20 сутки
гЫ/дь^
0 1 3 -----Контроль
10
15
А
■Дрейссена
20 сутки
мтЬТ/дь^
15 20 сутки
Дрейссена
0 13 5 -----Контроль-
10 15 20 сутки ■Дрейссена
и 1 3 ----Контроль
10 15 20 сутки
■Дрейссена
Г
Рис. 1. Динамика аммония (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в аквариумах с волжской водой (контроль) и с волжской водой с внесением дрейссены (вариант I)
мтЫ/дъ*5 0.35
-----Контроль
Дрейссена
■Контроль
В
Дрейссена
■ Контроль
Дрейссена
Г
Рис. 2. Динамика аммонийного азота (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в опытах с внесением азота и фосфатов в концентрации 1 ПДК (вариант II)
по сравнению с исходным значением увеличилась в 16 раз. Содержание фосфатов в контроле колебалось в пределах 0,062 - 0,17 мг/дм3, в присутствии Б. Ьщвжэ концентрация Р-Р043-постепенно увеличивалась с максимумом на 10 сутки. За экспериментальный период количество фосфатов возросло в 11 раз.
Обращает на себя внимание тот факт, что изменения исследуемых показателей в аквариумах с дрейссеной и без нее как с внесением 1 ПДК азота и фосфора, так и без внесения происходили синхронно: в контрольных сосудах по нитратам г = 0,98 (р=0,0001); в присутствии дрейссены по фосфатам г = 0,98 (р=0,0001), по нитратам - г = 0,99 (р=0,0001). Такие высокие коэффициенты корреляции свидетельствуют об общности происходящих процессов, на которые небольшие концентрации внесенных биогенов влияния не оказывают.
В следующем варианте опыта концентрации внесенных соединений азота и фосфора составили 10 ПДК. Результаты представлены на рис. 3.
В контроле содержание аммония к 10 суткам
опыта снизилось в 1,5 раза, а к 15-м - достигло аналитического нуля. Количество нитритов к 10-м суткам существенно увеличилось, достигнув к 20-м суткам максимального значения, превышающего начальное в 40 раз. Концентрация нитратов к 15 суткам увеличилась в 3 раза, затем незначительно снизилась.
В аквариуме с моллюсками содержание аммонийного азота уменьшилось к 5-м суткам в 10 раз. Концентрация нитритов увеличилась также в течение первых суток, а к 15-м достигла первоначального уровня. Количество нитратов в аквариуме с дрейссеной возрастало в течение периода исследования, как и в предыдущих вариантах. В конце эксперимента содержание нитратов было выше исходного в 17,3 раза.
Количество фосфатов в контроле постепенно снижалось и к концу эксперимента достигло 0,12 мг/дм3, что меньше исходного в 11 раз. В аквариумах с дрейссеной содержание элемента колебалось, концентрация Р- Р043- на 20-е сутки была меньше начальной лишь в 1,5 раза (рис. 3).
MrN/flbi 0.6 -
-----Контроль
Дрейссена
-----Контроль
Дрейссена
А
-----Контроль
Дрейссена
-----Контроль
Дрейссена
В
г
Рис. 3. Динамика аммонийного азота (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в опытах с внесением азота и фосфатов в концентрациях 10 ПДК (вариант III)
На рис. 4 показано, что в контрольном варианте при внесении 10 ПДК аммонийного азота его переход в кислородосодержащие формы происходит к 15 суткам, тогда как в присутствии дрейссены скорость процесса нитрификации существенно выше. Уже к 5 суткам концентрация аммония в аквариумах с моллюсками в 19 раз ниже, чем в контроле, а к 10-м снизилась до минимальных значений.
В литературе имеются сведения об экскреции дрейссеной преимущественно аммонийного азота, величина которого сопоставима с внешней биогенной нагрузкой [3]. Как показали результаты наших исследований, основным продуктом азотистого обмена у D. bugensis, являются нитраты. Увеличение содержания нитратов в присутствии дрейссены (рис. 5) описывается следующими уравнениями: в варианте с волжской водой - у = 2,09х - 2,51; внесение 1 ПДК - у = 2,41х - 2,87; внесение 10 ПДК - у = 2,59х - 3,4.
На 20-е сутки в вариантах с внесением аммонийного азота концентрация нитратов тем выше, чем выше вносимая концентрация. Исходя из установленных закономерностей, рассчитали, что 1 г дрейссены в сутки выделяет около 0,03 мг нитратного азота.
Динамика фосфатов в экспериментальных сосудах отличалась от динамики нитратов. В I и II вариантах в контрольных аквариумах (без дрейссены) содержание фосфора в воде колебалось в одних пределах в течение всего эксперимента, а в опытных сосудах с D. bugensis наблюдался синхронный рост содержания P-PO43-, внесение дополнительной концентрации элемента влияния не оказывало (рис. 1, 2). Однако при внесении 10 ПДК фосфатов (III вариант) характер динамики этого соединения менялся: в контроле содержание фосфатов уменьшалось, видимо за счет сорбции на стенках сосудов или поглощения микроорганизмами. Конечная кон-
мгШдм: 5
1
4 -3 -2 1 О
1
И нитраты ■ нитриты 0 аммоний
1Д
0 1 3 5 10 15 20
мгШдм3 16
14 -\ 12 10 -\
5
6 -4 ■ 2 О
1
1
1
□ нитраты ■ нитриты В аммоний
О 1 3 5 1С' 15 20 сутки
А Б
Рис. 4. Соотношение различных форм минерального азота в его суммарном содержании в контроле (А) и аквариумах с дрейссеной (Б) (вариант III)
ivirN/flbi IS
10
15
--В ариант I---В ариант 11
20 сутки
В ариант III
Рис. 5. Динамика содержания азота нитратов в аквариумах с внесением аммонийного азота в присутствии дрейссены в течение эксперимента
центрация была ниже исходной в 11 раз (рис. 3). В аквариумах с дрейссеной происходили колебания концентрации минерального фосфора и, несмотря на ее некоторое снижение за 20 суток эксперимента, уровень фосфатов был выше, чем в контроле в 8 раз. В первых двух вариантах выделение фосфатов составило в среднем 0,001 мгР/ сут на 1 г дрейссены. В опытах с добавкой 10 ПДК Р-Р043- экскреция этого элемента 1 г дрейссены в сутки увеличилась до 0,0018 мг.
Таким образом, по полученным нами результатам, Б. Ьщвт(з выделяет значительные количества нитратов и фосфатов в водную среду. Внесение аммонийного азота незначительно влияло на концентрацию нитратов, но скорость
окисления аммония до нитратов значительно увеличивалась в присутствии дрейссены. Динамика фосфатов при их внесении в экспериментальные сосуды носила более сложный характер. При более высоких концентрациях вносимых соединений динамика фосфатов в опыте и контроле существенно отличалась.
Полученные данные могут послужить основой для приближенного расчета влияния дрейссены на режим биогенных элементов в Волгоградском водохранилище, но для экстраполяции экспериментальных данных на водную экосистему необходимо дальнейшее изучение динамики элементного состава водной среды в присутствии такого вида-эдификатора, как D. bugensis.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Филинова Е.И. Особенности расселения биоинвазионных видов зообентоса и их роль в экосистемах водохранилищ Нижней Волги//Бассейн Волги в XXI веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ. Материалы докладов Всеросс. конференции. Борок. 2012. С. 311-314.
2. Развитие экосистемы и биоресурсного потенциала Волгоградского водохранилища в начале XXI века /В.А. Шашуловский, С.С. Мосияш, В.П. Ермолин, И.Н. Далечина, Е.А. Джаяни, С.А. Мосияш, Е.Э. Сонина, Е.И. Филинова, Е.А., Шашуловская // Рыбное хозяйство. 2014. Спец. выпуск. С. 49-55.
3. Жукова Т.В. Роль дрейссены (Dreissena polymorpha Pallas) в функционировании Нарочанских озер (обзор)// Бассейн Волги в XXI веке: структура и функционирование экосистем водохранилищ. Материалы докладов Всеросс. конференции. Борок. 2012. С. 55-59.
4. Жукова И.В., Остапеня А.П. Влияние на экосистему Нарочанских озер вселенца моллюска-фильтрато-ра Dreissena polymorpha Pallas // Озерные экосистемы: Материалы II науч. конф. Минск: Изд. Центр БГУ, 2003. С. 438-440.
5. Перечень методик, внесенных в Государственный реестр методик количественного химического анализа. Ч. I. Количественный химический анализ вод. М., 2015. 44 с.
DYNAMICS OF MINERAL COMPOUNDS OF NITROGEN AND PHOSPHORUS IN THE EXPERIMENTAL CONDITIONS IN THE PRESENCE DREISSENA BUGENSIS
© 2016 E.A. Shashulovskaya, S.A. Mosiyash
State Research Institute of Lake and River Fisheries named after L.S. Berg, Saratov Branch
The results of laboratory studies of the effect of the form-edificator Lower Volga reservoirs bivalve Dreissena bugensis the dynamics of major nutrients. It is shown that the result of the activity Dreissena allocates substantial amounts of nitrate and phosphate in the environment, in terms of 1 g of biomass is about 0.03 mgN / day and 0.001 mgP / day. In addition, in the presence of Dreissena significantly accelerates the process of nitrification. The findings may provide the basis for an approximate calculation of the impact of D. bugensis on the regime of nutrients in water reservoirs.
Keywords: shellfish, Dreissena bugensis, reservoirs, mineral forms of nitrogen and phosphorus.
Elena Shashulovskaya, Candidate of Biology, Head at the Hydrochemistry and Environmental Toxicology Sector. E-mail: [email protected] Svetlana Mosiyash, Candidate of Biology, Senior Research Fellow at the Hydrochemistry and Environmental Toxicology Sector. E-mail: [email protected]
