Исследование количественных характеристик детрита в водных экосистемах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Исследование количественных характеристик детрита в водных экосистемах

А.П. Садчиков, С.В. Котелевцев, С.А. Остроумов

Детрит входит в состав многих водных экосистем. В этой статье изложены результаты исследований количественных параметров детритных частиц в пресноводных водоемах. Были исследованы две экосистемы: Можайское водохранилище и эвтрофный пруд в Московской области (Российская Федерация). Определяли размеры и численность частиц детрита в водной толще. В Можайском водохранилище мелкие частицы детрита размером до 10 мкм (микрометры) составляют 52-56% от общего количества детрита. В этом водохранилище частицы детрита размером 10-50 мкм составляют 42-55% от общего количества детрита, частицы детрита размером более чем 50 мкм составляют 1-3% от общего количества детрита. Результаты количественного изучения детрита вносят вклад в понимание структуры и функции водных экосистем.

Ключевые слова: пресноводные экосистемы, размер частиц детрита, Можайское водохранилище, эвтрофный пруд, Московская область,

Sadchikov A.P., Kotelevtsev S.V., Ostroumov S.A.

Keywords: freshwater ecosystems, size of detritus particles, Mozhaiskoe Reservoir, eutrophic pond, Moscow Region,

ВВЕДЕНИЕ

В столбе воды в морских и пресноводных экосистемах присутствуют частицы мертвого органического вещества (детрита, detritus) [111], которые представляют определенный интерес при изучении экологии водных бактерий [12], деструкционных процессов и самоочищении водоемов, а также при анализе вопросов биохимической и биогеохимической экологии [13-25].

Проводились исследования детрита в различных водных системах [15, 19, 23, 25], изучалась способность детрита иммобилизовывать и накапливать различные химические элементы [13, 14, 16-18, 20-22, 24].

Исследователями отмечалось, что обитающие на детрите бактерии физиологически более активны, чем одиночные клетки толщи вод. Кроме того, детрит обладает высокой сорбционной способностью, является центром аккумуляции на своей поверхности растворенных в воде органических веществ (РОВ, dissolved organic matter), что способствует увеличению скорости деструкционных процессов [7, 10, 11].

При отмирании клеток фитопланктона возникают взвешенные в воде частицы органического вещества, которые относительно долго находятся во взвешенном состоянии. Скорость их оседания не превышает 80-100 см в сутки, поэтому даже в относительно неглубоких водоемах детрит может находиться в толще воды несколько дней, а иногда более одной недели. В мелких прудах глубиной до 2-3 м детрит оседает практически неразложившимся и дальнейшее его разрушение осуществляется уже на дне с вытекающими из этого последствиями. Таковыми последствиями может быть снижение содержания кислорода у дна в середине лета и заморные явления зимой [5].

В столбе воды водных экосистем представлены детритные частицы разного размера. Среди них и мелкие частицы размером несколько десятков микрометров, и более крупные частицы. Идентифицировать размер частиц, собранных в седиментационные ловушки, сложно, так как они быстро слипаются, меняют размер и форму [3, 5, 6].

В наших работах была изучена размерная структура детрита в ряде пресноводных экосистем. Среди них Можайское водохранилище и небольшой эвтрофный пруд, расположенный в непосредственной близости от биостанции «Ильинское» МГУ имени М.В. Ломоносова [2, 6].

Существенная часть находящегося в толще воды исследованных водоемов детрит имеет в основном альгогенное происхождение. Это подтверждается тем, что общая картина развития и отмирания фитопланктона и изменения количества планктонного детрита была сходной. Кроме того, увеличение количества седи- ментационного детрита, собранного в специальные ловушки (установлены на разных глубинах), наблюдалось сразу же после отмирания в водоемах водорослей, причем максимальные значения регистрировались в верхних слоях водоемов, где концентрировалась большая часть фитопланктона. Межгодовые различия количества детрита в водоемах коррелируют с биомассой фитопланктона [5, 6, 8-11].

Детрит является не только пищевым субстратом для водных организмов, но и поверхностью, на которой осуществляются физикохимические и микробиологические процессы, ферментативный гидролиз органического вещества [5]. В связи с этим изучение детрита и его структурных показателей имеет большое значение для изучения деструкционных процессов в водоемах.

Цель данной публикации - кратко суммировать некоторые результаты изучения размерной структуры детрита в указанных водных экосистемах.

МЕТОДИКА

Для анализа планктонного детрита батометром отбирали пробы воды на разных горизонтах водохранилища и пруда, и фильтровали (по 3-5 мл) через мембранные фильтры с порами диаметром 0,2 мм. Затем фильтры окрашивали акридин-оранжевым и определяли на них количество планктонного детрита, его размерные группы (до 10 мкм, 10-50 мкм и более 50 мкм). Использовали эпилюминесцентный микроскоп (epiluminescent microscope) МЛД-2 (900*).

Седиментационный детрит собирали на постоянных точках водохранилища и пруда в сосуды (диаметр 40 мм, высота 300 мм), подвешенные на разных глубинах. Пробы отбирали через каждые 3-4 дня. Детрит концентрировали центрифугированием в течение 5-10 минут при 5000 об/мин и использовали для дальнейшего анализа. Численность бактерий на детрите определяли по методу Звягинцева и Кожевина, описанном в руководстве [4]. Навеску влажного детрита разводили стерильной дистиллированной водой (1:10), после чего обрабатывали на измельчителе тканей (РТ-2) при 5000 об/мин. Полученную суспензию переносили в мерный цилиндр и после двухминутного отстаивания отбирали 2 мл и разводили стерильной дистиллированной водой так, чтобы конечное разведение составляло 1:1000. Далее воду энергично встряхивали, после чего пипеткой отбирали 1 мл суспензии и фильтровали через мембранный фильтр (диаметр пор 0,2 мкм) при вакууме 300 мм рт. столба. Затем бактерии на фильтре окрашивали акридин-оранжевым (Acridine Orange) и подсчитывали с помощью эпилюминесцентного микроскопа МЛД-2 (900*). В работе использовали отечественные ядерные фильтры, произведенные в Дубне. Чтобы исключить свечение самих фильтров, их предварительно выдерживали в насыщенном спиртовом растворе судана черного Б (Sudan Black B) [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Многолетние исследования с использованием указанной выше методики показали, в толще воды Можайского водохранилища в основном находятся частицы размером до 50 мкм (micrometers, микрометры). А именно, до 10 мкм (micrometers, микрометры) - 52-56% общего количества детрита, 10-50 мкм - 42-55%. Частицы размером более 50 мкм были представлены незначительно - всего 1-3% и появлялись в основном во время отмирания фитопланктона. В пруду на долю частиц размером до 10 мкм приходилось 65% детрита. На долю частиц размером 10-50 мкм приходилось 34%. На долю более крупных частиц в среднем не превышало 1% детрита.

Наблюдения за структурой детрита Можайского водохранилища и эвтрофного пруда показали, что в водохранилище количество частиц детрита размером до 10 мкм в среднем было 9-10 тыс./мл, размером 10-50 мкм - 7-8 тыс./мл; в пруду - примерно в полтора раза больше - 15 и 12 тыс./мл, соответственно [5]. По другим сведениям, количество частиц детрита в водоемах разной трофности достигает ста тысяч в одном миллилитре воды [1].

Расширение сведений о размерах частиц взвешенного в воде детрита и о численности детритных частиц представляет интерес для понимания структуры и функционирования водных экосистем, в том числе пресноводных водоемов. Как отмечено выше, частицы детрита несут несколько важных функций в водных экосистемах.

С одной стороны, они входят в пищевую базу для питания многих организмов, в том числе беспозвоночных-фильтраторов воды. Тем самым они участвуют в формировании пищевых цепей (trophic chains) и трофических сетей (trophic webs).

С другой стороны, детрит участвует в процессах сорбции многих веществ, включая токсичные химические элементы. Тем самым он участвует в детоксикации (detoxification) водной среды обитания многих организмов [15, 18, 19, 25].

Еще одна важная функция детрита состоит в его взаимодействии с водными бактериями [3, 5, 6], поэтому установление количественных показателей детрита в столбе воды имеет большое значение для понимания экологии бактериопланктона.

Детрит участвует в формировании качества воды и сами количественные показатели численности детритных частиц (от которых зависит прозрачность и мутность воды) имеют значение для комплекса параметров, входящих в характеристику качества воды. Это подчеркивает практическое значение полученной информации, особенно в связи с тем, что Можайское водохранилище входит в систему водоснабжения и водообеспечения крупного мегаполиса (г. Москвы).

Полученные факты дополняют количественные данные о детрите в водных экосистемах [26-42].

детрит водная экосистема

ВЫВОДЫ

1. Проведено изучение количественных параметров детрита в пресноводных экосистемах. В толще воды Можайского водохранилища (Российская Федерация, Московская область) частицы размером до 10 мкм (micrometers, микрометры) - составляли 52-56% общего количества детрита, частицы размером 10-50 мкм (micrometers, микрометры) - 42-55%. Частицы размером более 50 мкм были представлены незначительно - всего 1-3%. В водохранилище количество частиц детрита размером до 10 мкм в среднем было 9-10 тыс./мл, размером 10-50 мкм - 7-8 тыс./мл.

2. Исследовали детрит в эвтрофированной экосистеме пруда. В изученном эвтрофном пруду (Московская область, Можайский район) на долю частиц размером до 10 мкм приходилось 65% детрита. На долю частиц размером 10-50 мкм приходилось 34%. В пруду количество частиц детрита размером до 10 мкм было в среднем 15 тыс./мл, количество частиц детрита размером 10-50 мкм - 12 тыс./мл.

3. Расширение данных о количественных параметрах детрита вносит вклад в познание структуры и функционирования пресноводных экосистем.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инкина Г.А. Определение жизнеспособных бактерий по методу Когуре // Структура и функционирование сообществ водных микроорганизмов. Новосибирск: Наука, 1986. С. 28-33.

2. Куликов А.С., Садчиков А.П., Максимов В.Н. Общая активность бактерий седиментационно- го детрита, измеренная с помощью флуоресцеинди- ацетата // Миробиологический журнал. 1989. Т. 51, № 5. С. 7-11.

3. Куликов А.С., Садчиков А.П., Максимов В.Н. Структура детрита и ассоциированные с ним бактерии в двух разных по трофности водоемах // Биологические науки. 1990. № 8. С. 85-93.

4. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ, 1980. 224 с.

5. Садчиков А.П. Продуцирование и трансформация органического вещества размерными группами фито- и бактериопланктона: на примере водоемов Подмосковья: Автореферат дис.... доктора биологических наук: 03.00.18 / МГУ им. М.В. Ломоносова. М., 1997. 53 с.

6. Садчиков А.П., Ануфриев В.А. Структурные характеристики бактериопланктона и детрита мезо- и эвтрофного водоемов // Биологические науки. 1991, № 11. С. 67-72.

7. Садчиков А.П., Каниковская А.А. Роль бактериопланктона в деструкции органического вещества Можайского водохранилища // Микробиологический журнал. 1984. Т. 46, вып. 4. С. 10-14.

8. Садчиков А.П., Куликов А.С. Прижизненное выделение растворенного органического вещества фитопланктоном Можайского водохранилища и его утилизация бактериальным сообществом // Информ. Бюл. Ин-т биол. внутренних вод АН СССР. 1990, № 85. С. 34-37.

9. Садчиков А.П., Куликов А.С. Трансформация прижизненно выделенного фитопланктоном органического вещества бактериальным сообществом // Гидробиологический журнал. 1990. Т. 26, № 6. С. 13-16.

10. Садчиков А.П., Куликов А.С. Утилизация прижизненных и посмертных выделений Chlorella vulgaris бактериальным сообществом // Биологические науки. 1992. № 7. С. 29-36.

11. Садчиков А.П., Куликов А.С. Утилизация посмертных выделений фитопланктона бактериальным сообществом // Гидробиологический журнал. 1992. Т. 28, № 5. С. 16-21.

12. Харламенко В.И. Определение численности и биомассы водных бактерий эпифлуоресцентным методом с использованием отечественных ядерных микрофильтров. // Микробиология. 1984. Т. 53, № 1. С. 165-166.

13. Остроумов С.А., Демина Л.Л. Экологиче

ская биогеохимия и элементы (мышьяк, кобальт, железо, марганец, цинк, медь, кадмий, хром) в ци- стозире и биогенном детрите в морской модельной экосистеме: определение методом атомно

14. Остроумов С.А., Дёмина Л.Л. Тяжелые металлы (Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Cr) в биогенном детрите микрокосмов с водными организмами // Экология промышленного производства. 2010. № 2. С. 53-56.

15. Остроумов С. А. Новая типология вещества и роль ex-living matter (ELM) в биосфере [New typology of the matter and the role of ex-living matter (ELM)] // Ecological Studies, Hazards, Solutions. 2010. Vol. 16. P. 62-65.

16. Остроумов С.А., Колесов Г.М. О роли био

генного детрита в аккумуляции элементов в водных системах // Сибирский экологический журнал. 2010, № 4. С. 525-531.

17. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Редкие и рассеянные элементы в биогенном детрите: новая сторона роли организмов в биогенной миграции элементов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12, № 1. С. 153155.

18. Остроумов С.А., Колесов Г.М., Моисеева

Ю.А. Изучение водных микрокосмов с моллюсками и растениями: содержание химических элементов в детрите // Вода: химия и экология. 2009. № 8. С. 1824.

19. Остроумов С.А. Живое вещество и роль детрита в биогенной миграции микроэлементов // Ермаков В.В., Карпова Е.А., Корж В.Д., Остроумов С.А. Инновационные аспекты биогеохимии. М.: ГЕОХИ РАН, 2012. С. 103-133. https://www.researchgate.net/publication/301683889;

20. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Детектирование в компонентах экосистем золота, урана и других элементов методом нейтронно-активационного анализа // Экологические системы и приборы. 2009. № 10. С. 37-40.

21. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Выявление урана и тория в компонентах водных экосистем методом нейтронно-активационного анализа // Вода: химия и экология. 2009. №10. С. 36-40.

22. Остроумов С.А., Колесов Г.М. Водный макрофит Ceratophyllum demersum иммобилизует Au после добавления в воду наночастиц // Доклады Академии наук, 2010. Т. 431, № 4. С. 566-569. https://www.researchgate.net/publication/301693440; http://www.scribd.com/doc/54991990/.

23. Johnson M.E., Ostroumov S.A., Tyson J.F., Xing B. Study of the interactions between Elodea canadensis and CuO nanoparticles // Russian Journal of General Chemistry, 2011. Vol. 81, No. 13. P. 26882693.

24. Ostroumov S.A. Studying the fate of pollutants in the environment: binding and immobilization of nanoparticles and chemical elements // Ecologica. 2011. Vol. 18, No. 62. P. 129-132.

25. Остроумов С. А. О типологии основных ви

дов вещества в биосфере // Экологическая химия. 2011. Т. 20(3). С. 179-188.

https://www.researchgate.net/publication/301624938; ht tps://www.researchgate.net/publication/301594108; http s://www.researchgate.net/publication/301585971.

26 Остапеня АП. Детрит и его роль в водных экосистемах // Общие основы изучения водных экосистем. Л.: Наука, 1979. С. 257-271.

27 Сущеня Л.М. Детрит и его роль в продукционном процессе в водоемах // Гидробиол. журн. 1968. 4(2). С. 77-84.

28 Мельников И.А. Микропланктон и органический детрит в водах юго-восточной части Тихого океана // Океанология. 1975. Т. 15, вып. 1. С. 146156.

29. Сущеня Л.М., Финенко 3.3. Содержание взвешенного органического вещества в водах тропической Атлантики и некоторые количественные соотношения между его компонентами // Океанология. 1966. Т. 6, вып. 5. С. 835-852.

30. Schartau M., Wallhead P., Hemmings J., Lцp- tien U., Kriest I., Krishna S., Ward B.A., Slawig T., and Oschlies A., Reviews and syntheses: Parameter identification in marine planktonic ecosystem modelling. // Biogeosciences. 2017. Vol. 14(6). P. 1647-1701.

31. Bottino F., Cunha-Santino M.B., Bianchini I. Decomposition of particulate organic carbon from aquatic macrophytes under different nutrient conditions // Aquatic Geochemistry. 2016. Vol. 22(1). P.17-33.

32. Wu S., He S., Huang J., Gu J., Zhou W., Gao L. Decomposition of Emergent Aquatic Plant (Cattail) Litter Under Different Conditions and the Influence on Water Quality. // Water, Air, & Soil Pollution. 2017. Vol. 228(2). P. 70.

33. Gladstone-Gallagher R.V., Needham H.R., Lohrer A.M., Lundquist C.J., Pilditch C.A. Site- dependent effects of bioturbator-detritus interactions alter soft-sediment ecosystem function // Marine Ecology Progress Series. 2017. Vol. 569. P. 145-161.

34. Martin-Creuzburg D., Kowarik C., Straile D. Cross-ecosystem fluxes: Export of polyunsaturated fatty acids from aquatic to terrestrial ecosystems via emerging insects // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 577. P. 174-182.

35. Bottino F., Cunha-Santino M.B., Bianchini I.

Decomposition of particulate organic carbon from aquatic macrophytes under different nutrient conditions // - Aquatic Geochemistry. 2016. Vol. 22(1). P.17-33.

36. Li X., Cui B., Yang Q., Lan Y. Impacts of water level fluctuations on detritus accumulation in Lake Baiyangdian, China // Ecohydrology. 2016. Vol. 9(1). P. 52-67.

37. Dalu T., Richoux N.B., Froneman P.W. Nature and source of suspended particulate matter and detritus along an austral temperate river-estuary continuum, assessed using stable isotope analysis // Hydrobiologia. 2016. Vol. 767(1). P. 95-110.

38. He W., Chen M., Schlautman M.A., Hur J. Dynamic exchanges between DOM and POM pools in coastal and inland aquatic ecosystems: A review // Science of the Total Environment. 2016. Vol. 551. P. 415428.

39. Gladstone-Gallagher R.V., Needham H.R., Lohrer A.M., Lundquist C.J., Pilditch C.A. Site- dependent effects of bioturbator-detritus interactions alter soft-sediment ecosystem function // Marine Ecology Progress Series. 2017. Vol. 569. P. 145-161.

40. Frainer A., Jabiol J., Gessner M.O., Bruder A., Chauvet E., McKie B.G. Stoichiometric imbalances between detritus and detritivores are related to shifts in ecosystem functioning // Oikos. 2016. Vol. 125(6). P. 861-871.

41. Graзa M.A., Hyde K., Chauvet E. Aquatic hy- phomycetes and litter decomposition in tropical- subtropical low order streams // Fungal Ecology. 2016. Vol. 19. P. 182-189.

42. Jabiol J., McKie B.G., Bruder A., Bernadet C., Gessner M.O., Chauvet E. Trophic complexity enhances ecosystem functioning in an aquatic detritus- based model system // Journal of Animal Ecology. 2013. 82(5). P. 1042-1051.

Размещено на Allbest.ru