CC BY
59
УДК 579.68:57.044
М.Г. Андреева
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]
влияние высоких концентраций нитратов на численность микроорганизмов круговорота азота
в модельных водоемах
В модельном эксперименте показано, что высокие концентрации нитратного азота в водоеме могут не только ингибировать, но и стимулировать рост микроорганизмов круговорота азота, особенно в биотопах с высшей водной растительностью. Ключевые слова: нитратный азот; сапрофиты; олиготрофы; нитрификаторы; денитрификаторы.
Введение
Одним из главных факторов антропогенной нагрузки на водоемы является загрязнение биогенными элементами, в том числе нитратами. Повышение содержания азота приводит к эвтро-фированию экосистем (Драбкова и др., 1980) и, как следствие, к бурному развитию водорослей, уменьшению концентрации растворенного кислорода, гибели рыбы, уменьшению разнообразия флоры, образованию массы гниющих органических остатков и т. п. (Александров, 2006). Увеличение нагрузки по азоту в среде отражается на физиологии, биохимии, морфологии водной биоты (Krientz et al., 1996), в том числе высшей водной растительности, изменяет ее реакции на другие стрессовые воздействия среды (Fluckiger, 1988).
Микроорганизмы являются главным звеном самоочищения гидроэкосистемы, посредниками между растворенным органическим веществом и остальными гидробионтами, неспособными непосредственно его усваивать. Помимо этого, микробное сообщество является одной из главных групп гидробионтов, определяющих эффективность удаления нитратов и фосфатов из загрязненных водных экосистем (Копылов, Косолапов, 2011; Burgin, Hamilton, 2007; Hupfer et al., 2007).
Цель работы - выявить влияние высоких концентраций нитратного азота в водной среде на микроорганизмы, осуществляющие цикл круговорота азота.
Материалы и методы
Исследования проводили с июня по сентябрь в экспериментальных водоемах с природной водой (30 л), грунтом (10 л), комплексом донного и планктонного сообществ, куртинами представителя высшей водной растительности (ВВР) - рогоза узколистного (Typha angustifolia), привезенными из озера Средний Кабан (г. Казань). Моделировали два типа биотопов: заросший (с рогозом) и открытый (без рогоза). Нитрат натрия вносили однократно, в начале эксперимента в концентрациях 40 (N40) и 400 (N400) мг/л по азоту. Соответственно, исходные концентрации нитрат-иона в воде составили 177 и 1771 мг/л. Численность групп микроорганизмов круговорота азота (сапрофитов, олиготрофов, азотфик-саторов, нитрификаторов и денитрификаторов) определяли путем посева на селективные питательные среды (Теппер и др., 1979; Кузнецов, Дубинина, 1989).
Химический анализ природной воды на нитраты проводился в соответствии с ПНД Ф
1600 1400 1200 J3 1000
и
Д 8 0 0 о 600
400 200 0
открытые биотопы
f7
<N
контроль N 40 N 400
□ 1 мес (июль) ■ 2 мес (август) □ 3 мес (сентябрь)
контроль N 40 N 400
□ 1 мес (июль) ■ 2 мес (август) □ 3 мес (сентябрь)
Рис. 1. Содержание нитратов в открытых и заросших биотопах
38 российский журнал прикладной экологии
10000
1000
100
сапрофиты открытый биотоп
10
- контроль
-N40
-N400
10000 т
1000 --
н
J2P 100 4
10
сапрофиты заросший биотоп
контроль
N40
N400
август
сентябрь
август сентябрь
10000
олиготрофь1_ открытый биотоп
"й
1000 -- -
100 — —♦—контроль -■—N40 —А— N400
10 -I-1-1-1-
июнь июль август сентябрь
10000 т
1000
олиготрофы
100
10
- контроль
-N40
-N400
заросший биотоп
август сентябрь
10000 1000 100 10 1
10000 1000 100 10 1 0,1
азотфиксаторы открытый биотоп
июнь июль август сентябрь
нитрификаторы открытый биотоп
♦— контроль ■—N40 А—N400
10000 -1000 -- -100 -- -
10 -- -
1--
азотфиксаторы заросший биотоп
нитрификаторы
10000 -1000 -100 -10 -1
август сентябрь заросший биотоп
— контроль ■—N40
— N400
август сентябрь
1 1 1 1
июнь июль август сентябрь
10000 т 1000 100 10 1
0,1 ^
денитрификаторы открытый биотоп
-♦— контроль -■—N40 -А—N400
- контроль -N40 -N400
июль август сентябрь
10000 - - Де^итрификаторы _ _ заросший биотоп
1000 100 10 1
0,1 -- -
июнь июль август сентябрь
Рис. 2. Влияниевысоких концентрацийнитратногоазота начисленность разныхгруппмикроорганизмов
14.1:2:4.132-98. Стандартная ошибка находилась в пределах 5-12%. При определении численности микроорганизмов стандартная ошибка составила 7-20%.
Результаты и их обсуждение
Убыль нитратов в воде идет гораздо интенсивнее в заросших биотопах ввиду поглощения водной растительностью (рис. 1), что согласуется с данными M.W. ВапоиЬ (1975). Интересен факт, что в заросших биотопах снижение концентрации N400 идет быстрее, чем N40.
Выявлена стимуляция развития сапрофитов сверхвысокой дозой нитратов N400 (рис. 2). Через месяц (в июле) отмечен всплеск их численности в 112.5 раза в заросшем биотопе и в 7.3 раза - в открытом. В августе этот эффект снижался, и к сентябрю численность сапрофитов оставалась в открытом биотопе выше контрольной, а в заросшем становилась ниже. Это может быть обусловлено тем, что в отсутствие рогоза нитраты дольше остаются в воде и продолжают использоваться микроорганизмами в процессах конструктивного обмена и роста. N40 ингибировал развитие сапрофитной микрофлоры: в открытом биотопе ее численность ниже контрольной в течение всего эксперимента, в заросшем исключением был август, когда отмечен всплеск численности сапрофитов (рис. 2).
В открытом биотопе отмечено отрицательное влияние избытка нитратного азота N40 и N400 на олиготрофов, уменьшающееся к сентябрю, когда происходило снижение концентрации нитратов в воде (рис. 2). В заросшем биотопе, благодаря быстрому поглощению нитратов рогозом, увеличение численности олиготрофов наблюдалось уже в первый месяц после внесения нитратов N400 и сохранялось на протяжении почти всего эксперимента. Меньшая концентрация азота (N40) проявила меньший стимулирующий или больший ингибирующий эффект на численность и сапро-фитов, и олиготрофов.
Несомненно, что на развитие бактериоплан-ктона влияют многие факторы, которые в заросшем биотопе более разнообразны; более сложны биоценоз и состав среды, по-разному влияющие на группу олиготрофных микроорганизмов. Но общая тенденция заключается в том, что в определенные периоды вегетационного сезона ВВР способствует развитию олиготрофных микроорганизмов даже на фоне высокой нагрузки по нитратам. То, что высокая концентрация органических и минеральных соединений азота не ин-гибирует развитие как сапрофитов, так и олиго-
трофов, подтверждается в работе Г.Н. Олейник и Е.В. Старосилы (2005). Авторы считают, что при высоком содержании минерального азота микроорганизмы активно используют его в конструктивном метаболизме.
Таким образом, избыток минерального азота по-разному влияет на микроорганизмы в открытых и заросших биотопах. Это отмечается в работе Е.В. Старосилы с соавторами (Старосила и др., 2007), изучавших влияние высоких концентраций аммонийного азота на бактериопланктон. Авторы считают, что различная зависимость между концентрациями аммонийного азота и показателями развития бактериопланктона может быть объяснена разной степенью развития макрофитов в водоемах. При интенсивном развитии ВВР бактерии занимают подчиненное место в этих процессах, вследствие чего взаимосвязь между их развитием и концентрацией аммонийного азота не выражена.
В открытом биотопе в июле наблюдался спад численности азотфиксирующих микроорганизмов в опытных и контрольном вариантах, больший на фоне N400 (рис. 2). В заросшем биотопе в контроле этот спад отсутствовал, а на фоне избытка азота отмечен в меньшей степени, чем в открытом биотопе. В августе, на пике численности этой группы микроорганизмов в обоих биотопах, N40 стимулировал, а N400 подавлял их размножение. Это согласуется с данными о том, что небольшие дозы связанного азота (соли аммония, нитраты, нитриты, аминокислоты) не депресси-руют азотфиксацию, а иногда даже стимулируют, высокие же могут подавлять не только процесс азотфиксации, но и размножение этой группы микроорганизмов (Мишустин, Емцев, 1987; Рубенчик, 1960).
Нитратный азот N40 и N400 стимулировал развитие нитрификаторов в заро сшембиотопе (рис.2). Снижение численности нитрификаторов, наблюдавшееся в июле в открытом биотопе, в заросшем биотопе на фоне нитратов отсутствовало. Особенно сильно численность возрастала в июле на фоне N400, несколько снижаясь в августе. Этот всплеск численности коррелировал с увеличением количества сапрофитов и олиготрофов. В данном эксперименте определялись гетеротрофные нитрификаторы, использующие органический субстрат, которые способны развиваться одновременно с сапрофитами. Гетеротрофные нитрифи-каторы широко распространены в естественных условиях. К ним относятся бактерии из родов Pseudomonas, Xanthomonas, Bacillus, Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia. Гетеротрофная ни-
40
российский журнал прикладной экологии
трификация может приобретать главенствующее значение в атипичных условиях, например, при высоком содержании органического вещества. При этом, помимо нитритов и нитратов, образуется широкий спектр соединений - гидроксила-мин (ПН2ОН), аминооксимы (Я^ОН), гидрокса-мовые кислоты (Я-СОКН2ОН), нитрозосоеди-нения (^N-N0), нитросоединения (ЯСН2-ПО2) (Мишустин, Емцев, 1987; Умаров и др., 2007). В открытом биотопе увеличения численности ни-трификаторов под действием нитратов не происходило, а на фоне N40 в июле отмечено угнетение их развития (рис. 2).
В первый месяц в открытом биотопе численность денитрификаторов очень низка как в контроле, так и на фоне нитратов. В дальнейшем при общем возрастании их численности наблюдалось ингибирование роста в N40 по сравнению с контролем в августе и стимуляция в N400 в сентябре (рис. 2). В заросшем биотопе N400 проявила стимулирующее влияние на эту группу микроорганизмов.
Выводы
1. N40 в открытом биотопе оказал влияние на все группы микроорганизмов: на сапрофитов и олиготрофов - только ингибирующее, в отношении остальных групп ингибирование роста сочеталось с отсутствием влияния. В заросшем биотопе, кроме ингибирования, в разные периоды опыта отмечено и стимулирование роста олиготрофов, азотфиксаторов, и особенно нитрификаторов.
2. N400 в открытом биотопе, в отличие от N40, стимулировал рост сапрофитов и денитрификато-ров, ингибировал олиготрофов и азотфиксаторов. В заросшем биотопе происходило стимулирование роста всех групп микроорганизмов, кроме азотфиксаторов, но их ингибирование было слабее, чем в открытом биотопе.
3. Высшая водная растительность способствует проявлению стимулирующего действия высокой (40 мг/л) и особенно сверхвысокой концентрации азота (400 мг/л) на сапрофитные, олиготрофные, де- и нитрифицирующие микроорганизмы, препятствует сильному снижению численности в первый месяц азотфиксаторов, де- и нитрификаторов.
4. Концентрации нитратного азота 40 и 400 мг/л в модельных водоемах, особенно заросших водной растительностью, не вызывают существенного снижения численности микроорганизмов круговорота азота, даже при наличии ингибирования.
Список литературы
1. Александров С.В. Первичная продукция и показатели фитопланктона как критерии евтрофирования Куршского залива Балтийского моря // Водные ресурсы. 2006. Т. 33, № 1. С. 104-110.
2. Драбкова В.Г., Локк С.И., Островская Т.А. // Антропогенное воздействие на малые озера. Л.: Наука, 1980. С. 69-77.
3. Копылов А.И., Косолапов Д.Б. Микробная «петля» в планктонных сообществах морских и пресноводных экосистем. Ижевск: КнигоГрад, 2011. 332 с.
4. Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.
5. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М.: Агро-промиздат, 1987. 368 с.
6. Олейник Г.Н., Старосила Е.В. Микробиологическая характеристика водоемов с высокой антропогенной нагрузкой // Гидробиол. журн. 2005. Т. 41, № 4. С. 70-81.
7. ПНД Ф 14.1:2:4.132-98 МВИ массовых концентраций ионов нитритов, нитратов, хлоридов сульфатов, фосфатов в пробах питьевой, природной и сточной воды методом ионной хроматографии.
8. Рубенчик Л.И. Азотобактер и его применение в сельском хозяйстве. Киев: Изд-во АН УССР, 1960. 328 с.
9. Старосила Е.В., Олейник Г.Н., Крот Ю.Г. Структурные параметры бактериопланктона в прудах с высоким содержанием минерального азота // Гидробиол. журн. 2007. Т. 43, № 3. С. 94-104.
10. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М.: Колос, 1979. 215 с.
11. Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. М.: ГЕОС, 2007. 138 с.
12. Banoub M.W. The effect of reeds on the water chemistry of Gnadensee (Bodensee) // Arch. Hydrobiol. 1975. V. 75, № 4. Р. 500-521.
13. Burgin A.J., Hamilton S.K. Have we overemphasized the role of denitrification in aquatic ecosystems? A review of nitrate removal pathways // Front. Ecol. Environ. 2007. 5(2). Р. 89-96.
14. Fluckiger W. Stickstoff und stickstoffverbindugen in der luft und ihre okophysiologische Bedeutung // Chimia. 1988. V. 42, №2. P. 41-56.
15. Hupfer M., Gloess S., Grossart H.P. Polyphosphate-accumulating microorganisms in aquatic sediments // Aquatic Microbial Ecology. 2007. V. 47. P. 299-311.
16. Krientz L., Hasprzak P., Koschel R. Long term study on the influence of eutrophication, restoration and biomanipulation on the structure and development of phytoplankton communities in Feldbeger Haussee (Baltic Lake District, Germany) // Hydrobiologia. 1996. V. 330, № 2. P. 89-110.
M.G. Andreeva. The effect of high nitrate concentrations on the microorganisms number of nitrogen cycle in the model ponds
In the model experiment is shown that high concentrations of nitrate nitrogen in the water can not only inhibit, but also stimulate the growth of microorganisms of the nitrogen cycle, especially in habitats with higher water vegetation.
Keywords: nitrate nitrogen; saprophytes; oligotro-phs; nitrifiers; denitrifiers.
