Роль бактериопланктона в процессах самоочищения Ротковецких озер (Коношский район)

УДК 579:579.26

ШИРОКОВА Людмила Сергеевна, младший научный сотрудник, аспирант лаборатории водных экосистем Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 11 научных публикаций.

ДОБРОДЕЕВА Лилия Константиновна, доктор медицинских наук, профессор, заместитель директора по научным вопросам Института физиологии природных адаптаций Уральского отделения РАН. Автор 321 научной публикации, в т.ч. 7монографий

РОЛЬ БАКТЕРИОПЛАНКТОНА В ПРОЦЕССАХ САМООЧИЩЕНИЯ

РОТКОВЕЦКИХ ОЗЕР (КОНОШСКИЙ РАЙОН)*

Озера, самоочищение, бактериопланктон, сезонная динамика

ВВЕДЕНИЕ

Бактериопланктон водоемов является основным фактором самоочищения, выполняя функцию первичного окисления или восстановления поступающих в водоем загрязняющих веществ. В процессах самоочищения воды участвуют представители практически всех основных групп бактерий [1, 2].

Как известно, антропогенная деятельность оказывает негативное влияние в первую очередь на малые озера, изменяя их экосистемы. Хозяйственная деятельность вносит существенные изменения, в первую очередь в абиотические элементы озерных экосистем, опре-

деляющие в целом условия жизнедеятельности гидробионтов. Последние в естественных условиях обеспечивают сбалансированность биологического круговорота, адаптированного в процессе эволюции к определенному режиму абиотических элементов, и самоочищение экосистемы [3, 4].

Ротковецкая озерно-речная система относится к водосборному бассейну реки Онеги (к верховью), который охватывает западную часть Архангельской области. Изучение экологического состояния озер является актуальным, поскольку водоемы

*Исследования выполнены при поддержке Уральского отделения РАН.

используются местным населением в хозяйственных и бытовых целях. Но, несмотря на достаточный запас водных ресурсов в малых озерах региона и активное использо-

вание воды населением, исследования состояния водных экосистем в Архангельской области, в т.ч. в Коношском районе, не проводились.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ

Площадь водосбора реки Онега (без озера Лача) составляет 50 543 км2. Гидрогеологические условия района определяются двухъярусным строением геологического разреза. Верхний ярус (четвертичные образования) содержит первые от поверхности безнапорные и слабо напорные водоносные горизонты. Нижний ярус (отложения каменноугольного и пермского периодов) перекрыт четвертичным чехлом и содержит, как правило, напорные воды [2].

Рассматриваемая озерно-речная система расположена на Коношско-Няндомской возвышенности, высота которой составляет около 200-250 м над уровнем моря. Она имеет протяженность с севера на юг порядка 100 км, ширина достигает 25 км. Рельеф местности относится к моренно-холмистому. Климат данной территории относится к умеренно континентальному, характерному в целом для лесной зоны [5].

При относительно равнинном рельефе местности реки Коношского района отличаются спокойным течением и направлены в основном в бассейн Белого моря, расстояние до которого составляет порядка 300 км [5]. Пониженные места заняты крупными остаточными озерами. Там, где рельеф местности характеризуется более высоким уровнем поднятия, озера встречаются чаще. Многие озера в процессе лимногенеза превратились в болота, среди них часто встречаются болотные озера с торфяными берегами и незначительными глубинами, значительное распространение имеют мелкие озера — старицы. Ледовый покров на озерах появля-

ется в конце октября — начале ноября. Нарастание льда на крупных озерах происходит медленно от берегов к центру, и к марту толщина льда достигает порядка 1,2 м. Отдельные мелкие озера могут промерзать до дна. Поверхность льда на крупных озерах неровная — с торосами и буграми. Вскрываются озера в начале или середине мая, и в конце мая они уже очищаются ото льда. Лед тает на месте, иногда выносится реками. Подъем уровня воды колеблется от 0,5 до

2,5 м выше меженного. Спад воды происходит медленно, межень устанавливается в августе.

Коношский район входит в подзону средней тайги с преобладанием хвойных лесов с примесью мелколиственных пород. Здесь господствуют ельники-зеленомошники, а также ельники-черничники с примесью лиственных пород и сосны. Район сравнительно мало заболочен [5].

Воды озер подзоны средней тайги по минерализации относятся к ультрапресным, единичные озера имеют воду малой минерализации. По гидрохимическому составу воды 92% озер являются гидрокарбонатными. Около 6% озер составляют озера сульфатного класса, их расположение приурочено к южной части зоны, где выше плотность населения и повышаются атмосферные выпадения кислотообразующих веществ — сульфатов и нитратов. Воды сульфатного класса, возможно, формируются вследствие вытеснения гидрокарбонатов более сильными техногенными кислотами. Щелочность в этих озерах составляет менее 14%-экв, при

содержании сульфатов более 20%-экв. Хотя в этой зоне породы кислого и среднего составов и геохимический класс в ней кислый и кислый глеевый, рН вод озер, в отличие от северной тайги, лежит в менее широком диапазоне (5,7—7,6) и нет озер с очень низкими значениями РИ. В этой зоне выше количество озер с более высоким содержанием фосфора [6]. 50% озер подзоны средней тайги — мезотрофные (общий фосфор 10—35 мкг/л) и 15,5% — сапрофитные (общий фосфор >35 мкг/л). Повышение уровня трофии озер, как правило, сопровождается подщелачива-нием вод. Азот присутствует в основном в органической форме, что указывает на быстрое поглощение нитратов как биодоступной формы в продукционных процессах на водосборе и в водоемах [7].

Для Ротковецких озер характерна вытянутая с севера на юг форма (рис. 1). Грунты в Ротковецких озерах представлены илами. Наиболее крупным в составе данной системы является озеро Святое (табл. 1), в окрест-

ностях которого располагался центр духовной культуры. Ранее оно носило большое хозяйственное значение, и деятельность на водосборе оказывала существенное воздействие на состояние его экосистемы. В 60-х гг. прошлого столетия здесь велась активная деятельность, производились деготь, спички, мебель, спирт, гончарные изделия, осуществлялась переработка молочных продуктов.

В настоящее время антропогенное воздействие проявляется неравномерно в раз-

39.46 39 48 395 3952 3954 3956 3958 39 6 3962 3964

Рис. 1. Карта-схема расположения станций отбора проб воды в Ротковецкой озерноречной системе

личных частях акватории водоема, с преимущественным влиянием в местах расположения населенных пунктов и местных предприятий (маслозавод, лесопильный цех). Наибольшему хозяйственному воздействию подвержено озеро Узловское за счет концентрации на водосборной территории населенных пунктов и сравнительно маленькой площади акватории водоема. Минимальное антропогенное влияние испытывают озера Назаровское и Белое.

Таблица 1

Основные морфометрические характеристики Ротковецких озер

Озеро Площадь поверхности, км2 Объем, м3 Средняя глубина, м Максимальная глубина, м

Святое 1,9 6 300 000 3,3 16

Узловское 0,09 302 000 3,3 7,4

Назаровское 0,3 520 000 1,7 4,5

Белое 0,16 285 000 1,8 3,3

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ

Отбор проб для микробиологических исследований проводился в зависимости от сезонного фактора. Проанализировано 170 проб воды за 2004—2005 гг. В 2004 г. изучены суточные флуктуации бактериопланк-тона; в 2005 г. были проведены исследования структуры бактериопланктона в целях выявления его участия в естественных процессах самоочищения на основе сезонной активности и некоторых функциональных характеристик. Для гидрографической характеристики озер использовали приборы GPS «E trex» и эхолот «Piranha Max10». При изучении ярусной структуры водных экосистем учитывали гидрологические особенности биотопов. На участках с полной гомотер-мией отбор проб воды производили только с поверхностного (с глубины 0,5 м) горизонта, а на стратифицированных биотопах пробы отбирали с двух горизонтов — эпилимниона и гиполимниона. Пробы воды отбирали в стерильные склянки батометром.

Микробиологические исследования включали в себя: 1) определение общей численности и биомассы бактериопланктона, 2) определение количества сапрофитных

РЕЗУЛЬТАТЫ И

Стационарные наблюдения суточного колебания сапрофитных бактерий (505— 1515 КОЕ/мл) указывают на зависимость данного цикла от температуры (г=0,79; p<0,001), максимум которой приходился на 16 часов, и рН (г=0,70; p<0,001) воды. Максимальное содержание бактерий было установлено в 19 часов. Аналогичная зависимость прослеживалась и в отношении содержания факультативно олиготрофных бактерий (г=0,70—0,57; p<0,001) соответственно. Гетеротрофный бактериопланктон играет в процессах само-

бактерий при выращивании на сухом питательном агаре (СПА) при 20°С, 3) факульта-тивно-олиготрофных бактерий на среде Горбенко (СПА:10), 4) концентрации феноло-кисляющих и анаэробных микроорганизмов. Кроме этого определялись количественные показатели бактерий группы кишечных палочек (БГКП) на средах Эндо, Мак Конки и дрожжеподобных грибов на среде Сабуро [8—10]. Учет численности фенолокисляющих и факультативно-анаэробных бактерий с определением наиболее вероятного числа производили с помощью экспресс-обработки результатов учета микроорганизмов методом предельных разведений (по Мак Креди) после 1 месяца инкубации при температуре 20°С. Общую численность микроорганизмов определяли методом мембранной фильтрации [11]. Показатели интенсивности дыхания бактерий выявляли с помощью метода Винберга в кислородной модификации Винклера [11, 12].

Статистическую обработку, построение графиков и диаграмм осуществляли с помощью стандартных опций с применением пакета программ «Ехсе1'2002».

ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

очищения ведущую роль, и изучение его сезонной динамики позволяет определить его активность в различные биологические периоды.

В зимний период содержание сапрофитных бактерий, общей численности и биомассы бактериопланктона оказалось минимальным, в то время как содержание факультативно-анаэробных микроорганизмов было максимальным, что обусловлено снижением содержания кислорода (рис. 2—4). Наибольшие значения численности сапро-

1500

1000

500

0

1 п

нтш г п  ль [У  . ль Пш Пи

Э Г Э Г Э Г Э Г

Святое Узловское Назаровско е Белое

озеро

I зима  весна  лето

осень

Э-эпилимнион, Г-гиполимнион Рис. 2. Сезонная динамика сапрофитных бактерий в водоемах Ротковецкой озерно-речной системы

° ч в 5

сзо -С,

3 *

ю з О ю

6

4

2

0

^ га п —ги ц

1 п ГГ 1 П 11 г1 1 к '1

Э

Г

Э Г Э г

Святое Узловское Назаровское Белое

озеро

зима  весна  лето  осень

Э

Г

Э-эпилимнион, Г-гаполимнион

Рис. 3. Сезонная динамика общей численности бактериопланктона в водоемах Ротковецкой озерно-речной системы

Л

О

о

л

2

о

5

мэ

л

Е

О <3 Я 2

к 2

о * в 2

^ К

и ^ н и

X ¡2

ей

ю

Святое Узловское Назаровское Белое

озеро

зима  весна  лето  осень

Э-эпилимнион, Г-гиполимнион

Рис. 4. Сезонная динамика биомассы бактериопланктона в водоемах Ротковецкой озерно-речной системы

2

0

фитных бактерий отмечались в озерах Святое и Узловское, на станциях, находящихся в зоне влияния стоков маслозавода и бытовых стоков населенных пунктов. Различия между количеством эвтрофов зимой и в периоды открытой воды были незначительными, что, по-видимому, связано с достаточным запасом органического вещества в водоеме. Придонный горизонт в этот период характеризовался более высокой температурой и большими запасами питательных веществ, чем поверхностный, что создало в нем благоприятные условия для жизнедеятельности бактериопланктона.

В весенний период проявилась общая тенденция увеличения бактерий в поверхностном и придонном горизонтах озер, в частности, фенолокисляющих микроорганизмов в озере Святое. Увеличилось содержание сапрофитных бактерий на фоне повышения органических веществ в водоеме; показатели биомассы бактериопланктона увеличились в 1,5 раза (рис. 4), что свидетельствует об интенсификации микробных процессов и возрастании роли бактериопланктона в процессах самоочищения воды. Летом значения данных показателей оставались практически на том же уровне и стабилизировались до октября. В летний период наибольшими показателями характеризовался поверхностный горизонт вследствие повышения температуры воды и скорости процессов естественного самоочищения. Содержание факультативно анаэробных микроорганизмов летом было минимальным и одинаковым как в по-

верхностном, так и в придонном горизонтах за счет достаточного содержания кислорода в воде.

В период осеннего охлаждения наблюдалось статистически достоверное снижение концентраций сапрофитных бактерий. Численность бактериопланктона в поверхностном горизонте оставалась более высокой, чем в придонном, что связано с увеличением содержания легкоусвояемых органических веществ в результате отмирания фитопланктона (рис. 3).

Содержание представителей бактерий группы кишечной палочки в Ротковецких озерах варьирует в пределах 0,4—11,5 КОЕ/мл. Максимальные значения были зафиксированы в период весеннего половодья в озере Уз-ловское, что подтверждает поступление в водоем хозяйственно-фекальных стоков. Наименьшие показатели зафиксированы в озере Белом (1,2—2,0 КОЕ/мл), не подверженном активному антропогенному прессингу (табл. 2).

Содержание дрожжеподобных грибов во все периоды наблюдения было незначительным и варьировало в пределах 0,5—

2,5 КОЕ/мл. Максимальными показателями характеризовался осенний период; минимальными — летний (табл. 2).

Интенсивность дыхания в озере Святое в летний период была представлена величиной 0,3 мг О2/(лхсут), что характерно для мезотрофных озер. Величина деструкции органического вещества в кислородной модификации составила в среднем 0,44 мг О2/(лхсут).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований установлены заметные различия в состоянии бактериопланктона Ротковецких озер в подледный период и период открытой воды. В период открытой воды при увеличении кон-

центрации органических веществ и повышении температуры воды общее количество бактерий по сравнению с зимой резко увеличивается, преимущественно за счет сапрофитных микроорганизмов. Интенсифика-

Таблица 2

Сезонная динамика структуры бактериопланктона Ротковецкой озерно-речной системы

Бактериопланктон Озеро

Святое Узловское Назаровское Белое

Э Г Э Г Э Г Э Г

Факультативно олиготрофные бактерии, КОЕ/мл зима 1490* 452 б1б 1924 - - - -

весна 415 1290 1080 1984 850 1450 5б0 775

лето б85 480 3б0 320 405 б90 190 1б0

осень 1020 1110 1480 1210 3б0 4б0 1б30 б80

Фенолокисляющие бактерии, кл/мл зима б000 5555 700 250 - - - -

весна 70000 110000 700 250 25 25 700 700

лето 150 475 7000 1100 700 11000 250 1100

осень - - - - - - - -

Факультативно анаэробные бактерии, кл/мл зима б75 б75 700 б0 - - - -

весна 210 210 250 250 700 110000 25 25

лето 250 700 700 700 700 1100 б50 7000

осень - - - - - - - -

Бактерии группы кишечной палочки, КОЕ/мл зима 3,8 1,5 2,5 2,5 - - - -

весна 2,8 7 8 11,5 5,5 4 1,5 0

лето 1,25 1,75 0 0 1 0 2 0

осень 0 0,б 0,5 0 0,4 0 1,б 1,2

Дрожжеподобные грибы, КОЕ/мл зима 1 1,3 1 0,5 - - - -

весна 1,5 0,5 0 2 1,7 1 0,5 2,5

лето 0 0 0,5 0,5 0 1,5 0 0

осень 2 1,4 1,2 2,4 2,4 1,б 2,2 0,5

Примечание. Э — эпилимнион, Г — гиполимнион, * — медиана.

ция микробиологических процессов затрагивает как поверхностные, так и придонные слои. На особенности распределения бакте-риопланктона в лимнических системах оказывают влияние структура водоема и степень воздействия антропогенного фактора. Незначительное содержание гетеротрофного бактериопланктона, высокая активность

деструкционных процессов указывают на активно идущее естественное самоочищение воды. По микробиологическим показателям водоемы Ротковецкой озерно-речной системы можно отнести к категории чистых; по трофическому статусу следует определить их как мезотрофные с естественным развитием гетеротрофной микрофлоры.

Список литературы

1. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию. М., 2001.

2. Система переброски части стока озер Лача и Воже в Волгу: Проект I. Общая часть / Министерство мелиорации и водного хозяйства СССР. М., 1983.

3. Остроумов С.А. Введение в биохимическую экологию. М., 1986.

4. Остроумов С.А. Концепции биохимической экологии: экологические хемомедиаторы, экологические хеморегуляторы, экологические хемоэффекторы // Вод. экосистемы и организмы. 2003. Т. 6. С. 105-107.

5. Агроклиматический справочник по Архангельской области. Л., 1961.

6. Зональные особенности формирования химического состава вод малых озер на территории европейской части России / Т.И. Моисеенко, Н.А. Гашкина, Л.П. Кудрявцева, Ю.А. Былиняк, С.С. Сандимиров // Водные ресурсы. 2006. Т. 33. № 2. С. 163-180.

7. Перельман А.И. Геохимия ландшафтов. М., 1975.

8. Корш Л.Е., Артемова Т.З. Ускоренные методы санитарно-бактериологического исследования воды. М., 1978.

9. Медицинская микробиология / гл. ред. В.И. Покровский, О.К. Поздеев. М., 1999.

10. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / под ред. д-ра биол. наук В.А. Абакумова. СПб., 1992.

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

12. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / под ред. А.Д. Семенова. Л., 1977.

Shirokova Lyudmila, Dobrodeeva Lilia

ROLE OF BACTERIOPLANKTON IN THE NATURAL PURIFICATION PROCESSES OF ROTKOVETSKY LAKES

The study of the ecological condition of Rotkovetsky lake river water system is of current importance. The bacterioplankton of the water is a basic factor of natural purification and fulfills the function of the first oxidation or restoration of the incoming pollutants. Rotkovetsky lakes are considered to be clear with active processes of natural purification of water.

Рецензент — Новоселов А.П., доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории проходных рыб Северного филиала ФГУП «Полярный научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии имени Н.М. Книповича»