Микробиологическая трансформация азота в озере Халактырском (Камчатский край)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Камчатский государственный технический университет

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ АЗОТА В ОЗЕРЕ ХАЛАКТЫРСКОМ (КАМЧАТСКИЙ КРАЙ)

Голованева А.Е., Ступникова Н.А.

г. Петропавловск-Камчасткий

Аннотация

микробиологический азотистый озеро микроорганизм

Впервые рассмотрен и изучен процесс микробиологических превращений азотистых веществ в озере Халактырском, при этом установлено, что численность микроорганизмов, участвующих в круговороте азота, различна в зависимости от стадии трансформации. В водной среде изучаемого водоема полноценно протекает процесс аммонификации, стадии нитрификации и дентрификации нарушены. Отмечается низкая численность нирифицирующих и дентрифицирующих бактерий. Изучаемые эколого-трофические группы микроорганизмов являются биоиндикаторами загрязнения водной среды озера. Нарушение круговорота азота в озере Халактырском позволяет определить слабую самоочищающую способность водной среды. В водоеме преобладает аммонийная форма азота в сравнении с нитратной и нитритной.

Ключевые слова: эколого-трофические группы микроорганизмов; аммонифицирующие бактерии; нитрифицирующие баткерии; денитрифицирующие бактерии; биоиндикаторы; трансформация азота; коэффициент относительной утилизации азота; самоочищение.

Annotation

MICROBIOLOGICAL TRANSFORMATION OF NITROGEN IN KHALAKTYRSKOYE LAKE (KAMCHATKA KRAI)

Golovaneva A.E., Stupnikova N.A. Kamchatka State Technical University; Petropavlovsk-Kamchatskiy, Russia

The article considers the process of microbiological transformations of nitrogenous substances in Khalaktyrskoye Lake. It was found out that the number of microorganisms involved in the nitrogen cycle is different depending on the stage of transformation. In the aquatic environment of the studied reservoir, the process of ammonification fully proceeds, the stages of nitrification and denitrification are violated. There are a low number of nitrifying and denitrifying bacteria. Ecological and trophic groups of microorganisms under study are bio-indicators of the pollution of the lake's aquatic environment. Violation of the nitrogen cycle in Khalaktyrskoye Lake allows determining a weak self-cleaning ability of the aquatic environment. The ammonium form of nitrogen predominates in the reservoir in comparison to nitrate and nitrite.

Keywords: ecological and trophic groups of microorganisms; ammonifying bacteria; nitrifying bacteria; denitrifying bacteria; bio-indicators; nitrogen transformation; coefficient of relative utilization of nitrogen; self-cleaning.

Основная часть

Микроорганизмы, обитающие в водной среде, выполняют важную роль в жизни водоемов и водотоков, в результате их деятельности осуществляются замкнутые циклы органических веществ, тесно связанные с круговоротом отдельных биогенных элементов, особенно с циклами углерода, азота, серы, железа, фосфора, марганца и др. Круговорот органических веществ складывается из двух процессов: продукции органического вещества и его деструкции (распада) до простых минеральных соединений - биогенов.

Из числа биогенных элементов в водной среде азот занимает особенно важное положение, и зачастую, от количества и характера его соединений зависит общая продуктивность водоема. Таким образом, изучение круговорота азота в водных объектах, а также отдельных составляющих его звеньев, таких как аммонификация, нитрификация, денитрификация, фиксация свободного азота, составляет насущную потребность [1], она определяется взаимозависимостью гидрохимических и гидробиологических процессов в воде.

Трансформация азотсодержащих соединений в водной среде протекает в результате физиологических процессов определенных эколого-трофических групп микроорганизмов. Превращения азота в водоемах осуществляются при участии таких бактерий, как аммонифицирующие, нитрифицирующие и денитрифицирующие. Они могут также выступать в роли биоиндикаторов, указывая, к примеру, на загрязненность водной среды лотических, лентических или морских водных объектов.

Процессы естественной трансформации азота в результате деятельности эколого-трофических групп микроорганизмов могут быть нарушены, в частности, в результате антропогенного воздействия на водную среду. Микроорганизмы на физиологическом и генетическом уровнях быстро реагируют на изменение качества среды и действие стрессовых факторов [2].

В некоторых случаях отмечается нарушение полноценности замкнутого процесса превращения форм азота. Нарушенность может способствовать накоплению определенных азотистых веществ в водной среде, изменить гидрохимию воды, что приведет к загрязнению и, в некоторых случаях, прогрессированию деградационных процессов в водном объекте.

Поступающие в водоемы вещества различного антропогенного происхождения оказывают существенное влияние на функционирование сложной экосистемы водоема, которая стремится к самоочищению [3]. Самоочищение водной среды зависит от интенсивности распада органических веществ в водоеме, в частности, от полноценности протекания трансформации азотистых соединений.

Целью работы является изучение процессов микробиологического преобразования азота в озере Халактырском, которое подвергается влиянию антропогенной деятельности. Для этого необходимо рассмотреть протекание процессов трансформации азота в водной среде; оценить полноценность протекания процессов перехода азота в его различные формы, а также самоочищающую способность водоема.

Изучаемый водный объект - озеро Халактырское расположено на территории города Петропавловска-Камчатского. В водоем поступают загрязняющие вещества, которые имеют как природное, так и антропогенное происхождение [4], [5], [6]. Аллохтонные загрязняющие вещества поступают в озеро с коммунально-бытовыми, городскими стоками, технологическими водами ТЭЦ-2. Исходя из источников антропогенного воздействия, в акватории озера Халактырского были выделены станции отбора проб воды (рисунок 1).

Для изучения процессов трансформации азота в водоеме отбор проб воды осуществлялся с поверхностного и придонного горизонтов в период 2013-2017 гг.

Эколого-трофические группы микроорганизмов определялись методом разведения проб с применением элективных питательных сред. Точность количественных определений микробов обеспечивалась посевом не менее трех параллельных повторностей.

Рис. 1 Карта-схема расположения станций отбора проб воды в озере Халактырском Примечание: помечены станции отбора проб воды как в поверхностном, так и придонном горизонтах

1 - выпуск вод, сбрасываемых ТЭЦ-2; 2 - выпуск коммунально-бытовых сточных вод «Халактырка»; 3 - место впадения в озеро р. Кирпичной; 4 - выпуск коммунально-бытовых сточных вод «Дальний»; 5 - центральная часть акватории озера; 6 - зона влияния терригенного стока с сельскохозяйственных территорий; 7 - исток р. Халактырки

Аммонифицирующие бактерии количественно учитывали на мясо-пептонном бульоне. В качестве индикатора были использованы фильтровальные бумажки, смоченные 10%-ным раствором уксуснокислого свинца (для определения сероводорода) и красная лакмусовая бумага (для установления процесса выделения аммиака). Наличие аммиака и сероводорода определялось по изменению цвета (почернению) индикаторной бумаги.

Для учета нитрифицирующих микроорганизмов использовалась среда Виноградского. В процессе наблюдения за культурами проводились химические реакции на наличие аммиака и азотистой кислоты (реакцию проводили с использованием реактива Грисса).

Денитрифицирующие бактерии определялись с использованием среды Гильтая. Анализ осуществляли через 7-10 суток после посева. Оценивание присутствия денитрификаторов учитывалось по появлению газовыделения (образование CO₂ и N₂, отмечалось визуально). Учитывалось исчезновение из среды нитратов и нитритов, появление аммиака в среде, изменение рН среды (подщелачивание) и ее помутнение.

Процесс микробиологической трансформации азотистых веществ представляет собой круговорот различных форм азота, который включает аммонификацию, нитрификацию (I и II фазы), денитрификацию, фиксацию свободного азота.

В водной среде после ассимиляции органических азотсодержащих веществ начинается процесс аммонификации, который осуществляется в результате деятельности аммонифицирующих бактерий. Основными конечными продуктами аммонификации являются аммиак, углекислый газ, вода, соли серной и фосфорной кислот.

В результате изучения количества аммонифицирующих микроорганизмов в озере Халактырском были получены данные, которые указаны на рисунке 2. Исходя из полученных значений определено, что аммонифицирующая микрофлора обнаружена на всех станциях исследования водоема. Высокие показатели аммонификаторов на станциях 2 и 3 свидетельствуют, что в этих зонах озера созданы наиболее благоприятные условия для протекания гнилостных процессов. Данные, полученные в результате гидрохимических исследований, указывают на превышающие ПДК значения аммонийного азота (в среднем более 0,70 мг/л, при ПДК 0,50 мг/л), обнаружение которого может быть связано с образованием данной формы азота в процессе жизнедеятельности аммонификаторов, наряду с его аллохтонным поступлением. Наибольшая численность аммонифицирующих бактерий на этих станциях может объясняться большим количеством органических соединений, которые поступают как с неочищенными коммунально-бытовыми стоками, так и с терригенным стоком с загрязненной территории, а также в результате смыва с участков, расположенных вблизи кладбища.

Рис. 2 Количественные данные аммонифицирующих микроорганизмов на различных станциях исследования

Наличие большего количества аммонифицирующих бактерий также отмечено на станции 5 в поверхностном горизонте (при этом получены высокие значения ХПК (32,86±0,82) и аммонийного азота (0,76±0,09)), указывающее на развитие процессов аммонификации белковых соединений в озере Халактырском, происходящих в процессе трансформации азота в изучаемом водоеме [7].

В придонном горизонте озера Халактырского наличие аммонифицирующих микроорганизмов свидетельствует о разложении азотсодержащих органических веществ, в том числе в поверхностном слое ила. При этом наиболее высокие значения на станции 6 в этом горизонте могут определять процессы гниения, вызванные поступлением в озеро органических удобрений.

В процессе изучения аммонифицирующей микрофлоры в озере Халактырском при росте на элективной среде было отмечено образование газообразных веществ. В пробах воды, отобранных в поверхностном горизонте, было отмечено наличие аммиачного газа, в воде придонного горизонта зафиксировано выделение как аммиака и сероводорода. Обнаружение сероводорода в озере (интенсивность которого можно оценить в 4 балла) свидетельствует о нарушении кислородного режима в придонных слоях, указывая на дисбаланс кислорода.

Последующим этапом в круговороте азота является процесс нитрификации. Образующийся при разложении белков и мочевины аммиак в виде аммонийных солей усваивается растениями или претерпевает дальнейшие микробиологические превращения, в которых участвуют нитрифицирующие бактерии.

Для рассмотрения данного процесса была изучена численность нитрифицирущих микроорганизмов в озере Халактырском (рисунок 3).

Рис. 3 Количественные данные нитрифицирующих микроорганизмов на различных станциях исследования в поверхностном горизонте

Количественные значения нитрификаторов в озере Халактырском низкие, на некоторых станциях отмечается их отсутствие, что свидетельствует о слабой интенсивности протекания процесса нитрификации, при котором происходит окисление значительного количества аммония, образованного в процессе аммонификации (на это указывают высокие значения аммонийного азота). Наибольшее количество нитрифицирующих бактерий отмечено на станциях 4 и 6 (поверхность). В придонном горизонте отмечается отсутствие исследуемых микроорганизмов.

Интенсивность развития нитрификаторов определяется концентрацией аммонийного азота в водной среде. Так как в водах озера Халактырского содержание аммонийного азота значительное, то можно предположить, что отсутствие или низкая степень протекания нитрификации в водоеме ингибируется. Процесс нитрификации могут ингибировать: органические вещества, ионы водорода, АПАВ. Следуя Д. Вуду и др. [8] небольшую численность нитрифицирущих бактерий в микробном ценозе вод озера Халактырского можно объяснить значительным содержанием органической составляющей, увеличение концентрации которой ингибирует развитие нитрификаторов. По данным гидрохимических исследований, количество органических веществ в озере Халактырском имеет высокие значения и находится в пределах 18,25-46,32 мг/л по всей акватории [7].

Поскольку нитрифицирующие бактерии развиваются в интервале pH от 7,5 до 8,5, при pH < 5 и > 10 - рост прекращается, то низкие значения этого показателя, не превышающие 5,73 в озере Халактырском, также влияют на замедление изучаемого процесса. Отмечается, что в кислой среде из-за низкой активности нитрификации накапливается аммоний, образующийся в результате процессов аммонификации в водной среде [7].

В качестве ингибитора этого процесса может выступать и АПАВ, которые обнаружены на всех станциях исследования, а на станции 2 отмечается превышение ПДК в 2 раза.

Используя данные о концентрации различных форм азота в озере Халактырском, полученных в ходе исследования, был рассчитан коэффициент относительной утилизации азота водными микроорганизмами (KN), предложенный В.В. Никифоровым [9]. Значения коэффициента, рассчитанные для озера Халактырского, варьируются в пределах 6,73-40,30, что свидетельствует о низком уровне процессов нитрификации аммонийного азота. В исследуемом водном объекте отмечается замедление процессов нитрификации и преобладание аммонификации азота, свидетельствуя о слабой самоочищающей способности водоема. Высокая интенсивность процесса нитрификации может являться свидетельством активной самоочищающей способности водной среды в ответ на органическое загрязнение [10], [11].

Для комплексной оценки круговорота азота в озере Халактырском необходимо рассмотреть процесс денитрификации при участии денитрифицирующих микроорганизмов.

Бактерии этой эколого-трофической группы осуществляют процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до газообразных оксидов и молекулярного азота с одновременным (сопряженным) окислением до углекислого газа и воды органических веществ. Количественные данные о денитрифицирующих микроорганизмах в исследуемом озере представлены на рисунке 4.

Рис. 4 Количественные данные денитрифицирующих организмов на различных станциях исследования в поверхностном горизонте

Денитрифицирующие микроорганизмы неравномерно распространены по акватории озера. Наибольшее количество бактерий развивается на станции 3. В некоторых зонах акватории изучаемые микроорганизмы отсутствуют как в поверхностном (станции 6, 7), так и в придонном горизонтах (станции 5, 6, 7). В придонном горизонте денитрификаторы не обнаружены. Отсутствие процессов денитрификации в водоеме указывает на сложности, возникающие в процессе минерализации азота.

Полноценность процесса преобразования азотистых соединений в водоеме может быть нарушена в результате действия различных лимитирующих факторов. В частности, это касается наличия веществ, необходимых для развития бактерий, участвующих в процессе денитрификации. Нитриты и нитраты, являющиеся субстратом для роста и развития денитрификаторов, в озере Халактырском имеют невысокие значения (0,010-0,080 мг/л и 0,030-0,130 мг/л соответственно, при ПДК для нитритов -0,02 мг/л, при ПДК для нитратов - 9,00 мг/л), при этом оптимальный показатель рН для их жизнедеятельности находится в пределах 7,0-8,2, вода же Халактырского озера имеет более низкие значения по водородному показателю (5,65-5,73), свидетельствуя о неблагоприятных условиях среды для денитрификаторов [7]. Малое количество нитритного азота и, практически отсутствие нитратного, указывает на то, что процессы нитрификации выражены слабо [12].

Таким образом, в озере Халактырском наблюдается нарушение процессов круговорота азота. Микробиологическая трансформация азота протекает неполноценно, стадии нитрификации и денитрификации замедлены, что подтверждается низкими количественными значениями тех форм азота, которые необходимы для развития нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Замедление процесса трансформации азотистых соединений в озере отмечается на стадии нитрификации, что обусловлено участием ингибиторов. Нарушена стадия денитрификации.

В ходе гидрохимических исследований [13] было определено, что высокие значения коэффициента относительной утилизации азота водными организмами указывают на накопление аммонийного азота в воде озера Халактырского.

В озере слабо протекают процессы самоочищения. Их интенсивность ослаблена низкой численностью, а иногда и полным отсутствием нитрифицирующих и дентрифицирующих бактерий.

Нарушение процессов микробиологической трансформации азота в озере Халактырском обусловлено влиянием антропогенных источников загрязнения на водную среду, что может ускорить деградацию водоема.

Список литературы

1. Кузнецов С.И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. Л.: Наука, 1970. 440 с.

2. Исследование экосистем Берингова и Чукотского морей / Под ред. Ю.А. Израэля, А.В. Цыбань. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. Вып. 3. С. 93-220.

3. Хурина О.В., Саушкина Л.Н., Кузякина Т.И. Оценка экологического состояния пресноводной гидроэкосистемы в условиях антропогенной нагрузки // Вестник Камчатского государственного университета. 2010. №12.- С. 26-31.

4. Голованева А.Е. Изучение экологического состояния озера Халактырского в условиях воздействия городской среды / А.Е. Голованева // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2016. № 4 (148).- С. 79-85.

5. Голованева, А.Е. Экологическое состояние озер Петропавловск-Камчатской городской агломерации и меры по его улучшению: монография / А.Е. Голованева, Н.А. Ступникова, О.В. Хурина, Л.Н. Саушкина. Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2016. 176 с.

6. Голованева А.Е. Оценка экологического состояния озера Халактырского по гидрохимическим показателям / А.Е. Голованева // Водное хозяйство России. 2016. № 2. С. 32-44.

7. Голованева А.Е. Экологическая оценка состояния природного аквального комплекса в условиях антропогенной нагрузки (озеро Халактырское, Камчатка): автореферат дисс. канд. биол. наук: 03.02.08 /Голованева Анна Евгеньевна. Петропавловск-Камчатский, 2017. 25 с.

8. Wood J.B. Some observations on the biochemistry and inhibition of nutrification / J.B. Wood, B.Y.F. Hurley, P.J. Matthews // Water Res. 1981. V.15. N 5. P. 543.

9. Никифоров В.В. Гидроэкологическая характеристика биопрудов очистных сооружений г. Кременчуга / В.В. Никифоров // Экология и ноосферология. 2010. Т. 21. № 3-4.- С. 20-28.

10. Чеснокова С.М. Оценка уровня загрязнения анионными поверхностно-активными веществами экосистем реки Содышка и их влияния на физико-химические и биохимические процессы самоочищения / С.М. Чеснокова, А.С. Злывко, О.В. Савельев, А.В. Малыгин // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. №1 (9).- С. 2381-2383.

11. Мамонтова Л.М. Основы микробиологического мониторинга водных экосистем и контроля питьевой воды. Автореф. дис. докт. биол. наук. Иркутск, 1998. 40 с.

12. Хмелевская И.А. Микробиологическая индикация загрязнения водной среды // Вестник Псковского государственного университета. Серия: Естественные и физико-математические науки.2013. №3. С. 37-46.

13. Кузякина Т.И., Хурина О.В. Участие микроорганизмов в превращениях соединений азота в антропогенном водоеме оз. Култучное, Камчатка) // Успехи современного естествознания. №9. 2007. С. 69-70.

Размещено на Allbest.ru