Микробиологические и гидрохимические аспекты круговорота азота в озерах Кенозерского национального парка

Воробьёва Таисия Яркиевна; Ершова Анна Алексеевна; Морева Ольга Юрьевна; Чупаков Артем Васильевич; Забелина Светлана Александровна; Климов Сергей Иванович

УДК 579.266.2:551.48

вороБьЁвА таисия яркиевна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 67 научных публикаций

ЕршовА Анна Алексеевна, младший научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем, аспирант Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 6 научных публикаций

морЕвА ольга юрьевна, научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 52 научных публикаций

чупАков Артем васильевич, младший научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 16 научных публикаций

зАБЕлинА светлана Александровна, старший научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 62 научных публикаций

климов сергей иванович, научный сотрудник лаборатории пресноводных и морских экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН (г. Архангельск). Автор 21 научной публикации

микробиологические и гидрохимические аспекты

круговорота азота в озерах кенозерского национального парка

В статье представлены результаты изучения пространственно-временной динамики неорганических и органических форм азота и микроорганизмов, участвующих в круговороте азота в стратифицированных и нестратифицированных озерах южной части Кенозерского национального парка.

ключевые слова: ^ратифицированные и нестратифицированные озера Кенозерского национального парка, аммонификация, нитрификация, денитрификация, микроорганизмы круговорота азота.

Введение. Проблема сохранения чистоты и туальной и в то же время сложной проблемой высокого качества природных вод является ак- нашего времени. Круговорот биогенных эле-

* Работа выполнена при поддержке программы президиума Российской академии наук № 12-П-5-1021. программы президиума УрО Российской академии наук № 12-У-5-10340, гранта в рамках ФЦП 2012.1.2.2-12000-2007-055.

ментов, к которым относятся соединения азота, представляет собой ключевой механизм формирования качества воды. Изучение круговорота азота позволяет приблизиться к пониманию внутриводоемных процессов, происходящих в лимнических системах. Для прогноза изменений экосистемы, происходящих под влиянием антропогенного воздействия и изменения климата, необходимо наличие сведений о ее естественном, ненарушенном состоянии. Чаще всего эти данные отсутствуют, но могут быть получены по аналогии с другими озерами, расположенными в том же природном районе и не подвергающимися антропогенному воздействию, поэтому особое значение отводится исследованиям, проводимым на территории национальных парков, заповедников.

Круговорот азота представляет собой взаимосвязанную цепь реакций превращения различных форм азота, ведущая роль, в осуществлении которых принадлежит микроорганизмам. Они ускоряют эти трансформации и используют высвобождаемую энергию при окислительно-восстановительных реакциях для поддержания жизнедеятельности. В целом эти процессы управляют глобальным биогео-химическим циклом азота [1, 2].

Существует тесная зависимость между элементами окружающей среды и деятельностью микроорганизмов. Особенно четко эти взаимоотношения выражаются в цикле круговорота азота [2, 3]. Одним из важных факторов для деятельности микроорганизмов, участвующих в процессе круговорота азота, является кислород. В аэробных условиях будут преобладать процессы нитрификации, в анаэробных - денитрификации, а аммонификация протекает в аэробных и анаэробных условиях. Для денитрификации необходимым условием является, помимо пониженного содержания кислорода, еще наличие легкодоступного органического вещества (ОВ) и рН~7 [4]. Аналогично, процесс нитрификации может обрываться: на первой стадии при больших количествах ОВ, а на второй стадии - при высоких концентрациях ионов аммония (свободного аммиака) [4, 5]. В

то же время образование неорганических форм азота зависит от температуры воды, а их потребление - от развития фитопланктона (ФП) в водоеме. Аммонифицирующие бактерии осуществляют разложение органических веществ (ОВ) белковой природы до ионов аммония (свободного аммиака). Нитрифицирующие бактерии окисляют аммонийный азот (КН4) до нитритов (КО2‘), затем на второй стадии КО2-окисляются до нитратов (КО3-). Процесс денитрификации в зависимости от условий среды [4] может обрываться на стадии образования КО2- или газообразных КО и К2О, или проходить до конца (до образования молекулярного азота).

В данной работе впервые представлены результаты изучения микробиологических процессов круговорота азота в озерах Кено-зерского национального парка. Эти исследования особенно актуальны для зимней и летней стагнации вод, когда происходит седиментация органических и неорганических веществ и их максимальное накопление в придонных горизонтах. В свою очередь при активно протекающих микробиологических процессах минерализации ОВ это может вызвать ухудшения качества воды.

Материалы и методы. Целью данной работы являлось изучение динамики распределения и трансформации различных форм азота и микробиологических процессов круговорота азота в стратифицированных и нестратифици-рованных водоемах южной части КНП, являющихся представителями ненарушенных экосистем Архангельской области.

Объектами исследования выбраны стратифицированные оз. Масельгское и оз. Лек-шмозеро, и нестратифицированное оз. Вильно, периоды исследований - зимняя и летняя стагнации вод 2009 года.

Озера Лекшмозеро, Масельгское и Вильно расположены на территории Кенозерского национального парка (юго-западная часть Архангельской области, подзона средней тайги). Кенозерский национальный парк охватывает территории, уникальные по своему местопо-

ложению и природным характеристикам. Здесь проходит граница Балтийского кристаллического щита и Русской платформы, водораздел между бассейнами Белого и Балтийского морей, с чем связано своеобразие гидрологической сети [6].

Лекшмозеро (водосборный бассейн Белого моря) - второй по величине водоем на территории Кенозерского национального парка и пятый на водосборе реки Онеги. Форма котловины близка к овальной. Береговая линия изрезана очень слабо. Дно ровное, без резких перепадов глубин. Район больших глубин вытянут в виде борозды, смещенной к восточному берегу.

Оз. Масельгское (водосборный бассейн Балтийского моря) - узкий по форме водоем со слабо изрезанной береговой линией, вытянутый в северо-западном направлении. Южная часть озера мелководна, наибольшие глубины расположены в северо-восточной и в относительно изолированной северо-западной частях озера. Северо-западная часть озера на картах часто обозначается, как оз. Пежихерье (далее по тексту оз. Пежихерье). Для рельефа дна оз. Масельгского характерно чередование отмелей и понижений. Зарастаемость озера высшей водной растительностью составляет менее

10 % общей площади. Высокие и сухие берега окаймляют озеро на севере и востоке, на западе они низкие, местами заболоченные.

Оз. Вильно (водосборный бассейн Белого моря) примыкает к восточному берегу оз. Ма-сельгского на расстоянии около 300 м. Озера разделены узкой каменистой грядой «Масель-га», являющейся водоразделом между бассейнами Белого и Балтийского морей. Дно озера плоское, без значительных понижений, с постепенным свалом глубин. Береговая линия развита слабо. Зарастаемость акватории озера менее 1 % [7].

На рис. 1 представлена схема станций отбора проб. На Лекшмозере пробоотбор осуществлялся на глубоководной станции Lp на литорали L2; на оз. Масельгском - на глубоководных станциях MG и PG, на мелководной станции MUG; на оз. Вильно - станции V Отбор проб

воды выполнялся батометром Нискина. Отбор проб воды на гидрохимические и микробиологические анализы проводился по всему водному столбу на горизонтах, выбранных в зависимости от гидрологических параметров изучаемых водоемов. Общий (^бщ), нитрит-ный ^О2"), нитратный ^О3") и аммонийный азот (NH4) определяли по стандартным методикам [8, 9].

Культивирование аммонифицирующих бактерий (АБ) проводили на пептонной воде, нитрифицирующих (НБ) - на среде Виноградского и денитрифицирующих (ДБ) - на твердой среде Гильтея при температуре 20оС [10, 11]. Для количественного учета АБ, НБ и ДБ использовали метод предельных разведений [11].

Результаты и их обсуждение. Особенности формирования гидролого-гидрохимиче-

оз.Масельгское . MG

PG» V оз.Вильно

♦

MUG*

озЛекшмозеро

♦

Рис. 1. Схема расположения станций отбора проб: PG, MG - глубоководные станции оз. Масельгского, MUG - мелководная станция оз. Масельгского; V - станция оз. Вильно; L1 - глубоководная станция оз. Лекшмозера, L2 - литораль, камыши оз. Лекшмозера

Рис. 2. Гидролого-гидрохимические параметры глубоководных станций оз. Масельгского (станция MG) и оз. Лекшмозера (станция L)

ских режимов озер обусловлены факторами, связанными с их морфометрическими и гидрографическими характеристиками. Исследуемые озера являются верховыми, относятся к сточным водоемам с низким коэффициентом условного водообмена и малым удельным водосбором. Оз. Масельгское и оз. Вильно относятся к малым озерам [12].

Общие характеристики озер были представлены в ранее опубликованных работах [12, 13]. Исследуемые озера расположены в зоне избыточного увлажнения, следовательно, преобладающая роль в их питании принадлежит атмосферным осадкам, что, при малой площади водосбора, делает их маломинерализованными

(концентрация основных ионов: Лекшмозеро - от 91 до 120 мкг/л; Масельгское - от 49 до 112 мкг/л; Вильно - от 50 до 70 мкг/л). Вода озер относится к гидрокарбонатному классу кальциевой группы. На рис. 2 представлены основные гидролого-гидрохимические параметры глубоководных станций оз. Масельгского (станция МО) и оз. Лекшмозера (станция L).

Активная реакция среды исследуемых озер характеризуется, в основном, как нейтральная (рН в пределах 6,6-7,6) (рис. 2в). По термическому режиму во время летней стратификации вод оз. Лекшмозеро и оз. Масельгское относятся к метатермическому, оз. Пежихерье - к гипотермическому, оз. Вильно - к эпитерми-

ческому типам. В периоды зимней и летней стагнации наблюдается выраженная послойная неоднородность в содержании растворенного кислорода на глубоководных станциях. На глубоководных станциях Лекшмозера и оз. Ма-сельгского содержание растворенного кислорода обуславливается вертикальным профилем температуры воды и формированием скачка ее плотности (рис. 2а, б). В период температурной стратификации озер наблюдается снижение содержания растворенного кислорода от поверхностного горизонта к придонному на глубоководных станциях: зимой - на оз. Масельгском от 11,0 до 0,1 мгО2/л; на Лекшмозере от 12,5 до 0,2 мгО2/л, летом - на оз. Масельгском от

6,8 до 0,8 мгО2/л; на Лекшмозере - от 9,0 до 4,5 мгО2/л. В периоды зимней и летней стагнации на оз. Вильно и на мелководной станции

оз. Масельгского наблюдается гомотермия, содержание растворенного кислорода изменяется незначительно от поверхностного к придонному горизонту [12, 13].

Гидрохимическими исследованиями, проведенными ранее [12-17], установлено, что в воде исследуемых озер существует довольно устойчивая пространственно-временная цикличность динамики соединений азота.

Вертикальное распределение минеральных форм азота на глубоководных станциях Лек-шмозера и оз. Масельгского, представленное

Рис. 3. Вертикальное распределение минеральных форм азота на глубоководных станциях оз. Лекшмозера (станция L) и оз. Масельгского (станция MG) во время зимней и летней стагнации

на рис. 3, показывает, что почти всегда в воде исследованных озер преобладают нитраты. Содержание нитритов во все сезоны очень низкое, только в конце зимней стагнации в придонном анаэробном слое концентрация нитритов возрастает, но и тогда не превышает значения 11,9 мкгЫ/л. Концентрация аммонийного азота по профилю водной толщи зимой и летом варьирует в пределах значений от 5,7 до 37,4 мкгМл, значительно увеличиваясь в гиполимнионе оз. Масельгского (до 825 мкг№/л зимой, станция MG) и, в меньшей степени, в гиполимнионе Лекшмозера (до 250 мкгМл летом, станция L1).

Поскольку оз. Вильно и мелководные станции оз. Масельгского и Лекшмозера характеризуются малыми глубинами (5-6 м), в них происходит интенсивное перемешивание водных масс, и содержание неорганических форм азота здесь практически равномерно по всей толще воды.

Содержание нитритного азота в мелководной части оз. Масельгского и в оз. Вильно имеет низкие значения независимо от сезона и не превышает 3,5 мкг№/л. Содержание аммонийного азота в этих озерах не превышает 40 мкг№/л. Распределение нитратного азота на мелководных станциях равномерно по глубине,

его содержание зависит от сезона и не превышает значений для незагрязненных водоемов. В летний период содержание неорганических форм азота во всех исследуемых озерах ниже, чем в зимний, что связано с активным потреблением минерального азота фитопланктоном во время вегетации.

Количество N в эпилимнионе оз. Ма-

орг

сельгского летом составляло 73-77 % от N , ,

общ

уменьшаясь в гиполимнионе до 14 %. В Лек-шмозере летом содержание N было 80-83 % от ^бщ (даже в придонном слое отмечено до 51 %), что свидетельствует о более активном развитии фитопланктона по сравнению с оз. Масельгским. Зимой в оз. Масельгском количество N в эпилимнионе составляло 53-54 % от

орг

N , , в гиполимнионе - до 36,2 %; в Лекшмозе-

общ

ре содержание N в поверхностном горизонте достигало 70 % от ^бщ, а в придонном - 49 %.

Достаточно высокие численности аммонифицирующих бактерий, варьирующие от 1300 до 5000 кл/мл, зафиксированы для периода летней стагнации в Лекшмозере (см. таблицу). Это свидетельствует об активно идущих процессах аммонификации, но при этом концентрация МН4+ летом невысока из-за активного потребления его фитопланктоном. В оз.

ЧИСЛЕННОСТЬ АММОНИФИЦИРУЮЩИХ (АБ), НИТРИФИЦИРУЮЩИХ (НБ)

И ДЕНИТРИФИЦИРУЮЩИХ (ДН) БАКТЕРИЙ В ПЕРИОДЫ ЗИМНЕЙ И ЛЕТНЕЙ СТАГНАЦИИ 2009 года

Озера Горизонты, м АБ, кл/мл НБ, кл/мл ДН, кл/мл

м Р О н июль м Р О н июль м Р О н июль

Масельгское 0,5 - 1300 - - - -

3 1300 — 600 2500 - -

6 500 10 0 600 - -

8 250 500 0 - 0 0

16 - - - - 6 60

19 2500 600 - - 1000 600

Вильно 0,5 - 1300 2000 - 0

Лекшмозеро, глубоководная станция 0,5 6 2500 - 6000 - -

3 10 5000 600 2500 - -

8 60 — 25 1300 0 0

17 60 1300 300 - 10 0

22 10 - - - 25

24 - 2500 - - 2500 60

Лекшмозеро, литораль, камыши 0,5 - 2500 - 6000 - 0

Масельгском снижение количества аэробных АБ наблюдаются на 8 м, где отмечен термоклин и происходит уменьшение концентрации растворенного О2 до 4,7 мгО2/л. Наиболее вероятно, что в гиполимнионе активизируются процессы анаэробной аммонификации при концентрации растворенного кислорода

0,5-0,9 мгО2/л, на что указывает значительное количество №Н4+ при минимальных значениях Морг. Из-за снижения, а затем и прекращения процессов нитрификации в придонных горизонтах, остается не окисленным значительное количество №Н4+.

В период зимней стагнации численность АБ в оз. Масельгском остается примерно на том же уровне, что и летом - от 50 до 2500 кл/мл, в Лекшмозере происходит снижение численности АБ на 2-3 порядка, за исключением гиполимниона, где их численности составила 1300 кл/мл.

Численность нитрифицирующих бактерий в исследуемых озерах в период летней стагнации находилась на достаточно высоком уровне от 2000 до 6000 кл/мл в поверхностном горизонте 1-4 м при содержании растворенного кислорода в нем 7,2-8,4 мгО2/л. При снижении концентрации О2 до 6,6 мгО2/л численность НБ уменьшается до 600 кл/мл. В Лекшмозе-ре и в оз. Вильно преобладает I стадия нитрификации, поэтому обнаруживаются N0^ в пределах 0,6—1,0 мкг№/л. В оз. Масельгском -

II стадия, что отражается на содержании N0^, их практически нет до 5 м, а содержание N03' больше, чем в Лекшмозере.

В зимний период численность НБ на порядок меньше по сравнению с летним, до слоя воды с содержанием растворенного кислорода 4,8-5,0 мг02/л обнаружена численность НБ 25-600 кл/мл. На снижение интенсивности и прекращение процессов нитрификации в ги-полимнионе указывает также резкий скачок концентраций N0^ в оз. Масельгском на горизонтах с содержанием растворенного кислорода менее 1,2-1,0 мг02/л.

Денитрифицирующие бактерии в исследуемых озерах обнаружены, как и ожидалось, только в гиполимнионе: летом - от 0 до 600 кл/мл, зимой - от 6 до 2500 кл/мл. Максимальные количества ДБ определены летом только в придонных слоях (0,5-1 м до донных отложений) при концентрации 02 - 0,5-0,9 мг02/л и зимой при концентрации 02 - 0,1-0,2 мг02/л. В гипо-лимнионе оз. Масельгского в периоды зимней и летней стагнации создаются наиболее благоприятные условия для протекания процесса денитрификации. С горизонта 16 м (где содержание растворенного 02 ниже 1,0 мг02/л) происходит уменьшение концентрации N0^ почти в 2 раза, по сравнению с концентрацией в слое воды на горизонтах 8-12 м. Зимой в Лекшмо-зере в придонном горизонте денитрификация также идет достаточно активно, на что указывают высокие концентрации ДБ, летом, поскольку содержание кислорода не падает ниже 6,0 мг02/л, численность ДБ низкая.

Выводы. Проведенные гидрохимические исследования позволили установить, что в периоды летней и зимней стагнации вод на глубоководных станциях стратифицированных озер Масельгского и Лекшмозера в придонных горизонтах происходит в ходе седиментации концентрирование неорганических и органических соединений азота. Процессы минерализации органических веществ в исследуемых озерах проходят достаточно интенсивно, на это указывает уменьшение доли содержания органических форм азота по сравнению с неорганическими с увеличением глубины и достаточно высокая численность аммонифицирующих бактерий в придонных горизонтах.

Анализ данных по содержанию различных форм азота и по количественному показателям аммонифицирующих, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий показал, что наиболее активно в водной толще озер Масель-гского и Лекшмозера идут процессы аммонификации, менее интенсивно нитрификации и денитрификации.

Список литературы

1. Кузнецов С.И., Саралов А.И., Назина Т.Н. Микробиологические процессы круговорота углерода и азота в озерах. М., 1985.

2. Башкин В.Н. Биогеохимия. М., 2004.

3. Горленко В.М., Дубинина Г.А., Кузнецов С.И. Экология водных микроорганизмов. М., 1977.

4. Разумов В.А., Тютюнова Ф.И. Нитритное загрязнение р. Москвы: причины и следствия // Водные ресурсы. 2001. № 3. С. 356-366.

5. Бикбулатова Е.М., Скопинцев Б.А., Бикбулатов Э.С. Распад органического вещества синезеленых водорослей в аэробных и анаэробных условиях при комнатной температуре (20°С) // Водные ресурсы. 1977. № 6. С. 132-147.

6. Филенко Р.А. Гидрологическое районирование Севера Европейской части СССР Л., 1974.

7. Козьмин А.К., Шатова В.В. Озера Кенозерского национального парка. Архангельск, 1999.

8. Руководство по химическому анализу морских и пресных вод при экологическом мониторинге рыбохозяйственных водоемов и перспективных для промысла районов Мирового океана. М., 2003.

9. Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой. ПНД Ф 14.1:2.2.4-95 // М., 1995.

10. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М., 1989.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

11. Родина А.Г. Методы водной микробиологии: практическое руководство. М., 1965.

12. Гидролого-гидрохимические исследования озер Масельгское и Вильно (Кенозерский национальный парк) / Т.Я. Воробьёва, С.И. Климов, Н.В. Шорина, О.Ю. Морева, Л.С. Широкова // Проблемы региональной экологии. 2009. № 6. С. 57-61.

13. Пространственно-временная динамика планктонных сообществ и компонентов их среды обитания озер южной части Кенозерского национального парка / Т.Я. Воробьёва, Е.И. Собко, С.А. Забелина // Кенозерские чтения - 2011: сб. материалов междун. науч.-практ. конф. Архангельск, 2012. В печ.

14. Воробьёва Т.Я., Широкова Л.С., Климов С.И. Современное экологическое состояние озер южной части Кенозерского национального парка // Этнокультурный ландшафт Кенозерья: междисциплинарное исследование на пересечении естественных и гуманитарных наук: сб. мат. IV Всерос. науч.-практ. конф. Архангельск, 2011. С. 104-114.

15. Сезонные биогеохимические и микробиологические исследования малых озер таежной зоны Северо-Запада России (Арх. обл.) / Н.М. Кокрятская, С.А. Забелина, А.С. Саввичев, О.Ю. Морева, Т.Я. Воробьёва // Водные ресурсы. 2012. Т. 39. № 1. С. 1-14.

16. Воробьёва Т.Я., Морева О.Ю., Забелина С.А. Распределение различных форм азота и утилизирующих их микроорганизмов в озерах Кенозерского национального парка // Экология Арктических и Приарктических территорий: материалы межд. симпозиума. Архангельск, 2010. С. 63-66.

17. Оценка содержания различных форм азота в стратифицированных и нестратифицированных озерах Кенозерского национального парка (КНП) / А.А. Ершова, О.Ю. Морева, Т.Я. Воробьёва, К.Г. Боголицын // Современные проблемы гидроэкологии. Перспективы, пути и методы исследований: тез. докл. III междун. науч. конф. Украина, Херсон, 17-19 мая 2012 г. С. 150-153.

Vorobyeva Taisiya Yarkievna