Количественные исследования детрита в водной среде пресноводных экосистем в связи с вопросами качества воды

УДК 504.7: 543.61

Количество взвешенных в воде частиц, включая детритные частицы, является одним из важных показателей, характеризующих качество воды в водоемах. В этой публикации сообщается о результатах исследований детритных частиц в двух пресноводных экосистемах: Можайском водохранилище и эвтрофном пруду в Московской области. Можайское водохранилище входит в систему водоснабжения г. Москвы, в нем мелкие частицы детрита размером до 10 мкм (микрометров) составляют 52-56% от общего количества детрита, частицы детрита размером 10-50 мкм составляют 42-55% и размером более чем 50 мкм -  1-3% от общего количества детрита.

Ключевые слова: качество воды, размер частиц детрита, Можайское водохранилище, эвтрофный пруд, Московская область

Среди актуальных проблем изучения воды и природных водных экосистем - вопросы о связи между качеством воды и конкретными копонентами водных экосистем, включая такой компонент, как детрит. В водной среде многообразных водных экосистем, морских и пресных водоемов в определенных количествах присутствуют частицы мертвого органического вещества (детрита) [1-11].

Детрит представляет значительный интерес при изучении и характеристике качества воды. Как известно, к числу существенных показателей качества воды относится ее мутность. В свою очередь, мутность воды зависит от количества и размера взвешенных в воде частиц. Существенную часть взвешенных в воде частиц составляют частицы детрита. Детрит представляет большой интерес при исследовании 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 бактериальные клетки, находящиеся в столбе воды. Кроме того, детрит обладает высокой сорбционной способностью, является центром аккумуляции на своей поверхности растворенных в воде органических веществ (РОВ), что способствует увеличению скорости деструкционных процессов [7, 10, 11].

Микроскопические водоросли при отмирании распадаются на небольшие частицы, которые относительно долго находятся во взвешенном состоянии. Скорость их оседания не превышает 80-100 см в сутки, поэтому даже в относительно неглубоких водоемах детрит находится в толще воды 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 (снижение содержания кислорода у дна в середине лета и заморные явления зимой) [5].

В водоемах в основном представлены мелкие частицы размером несколько десятков микрометров, более крупные встречаются реже, что, скорее всего, связано с быстрым их оседанием на дно. Идентифицировать размер частиц, собранных в седиментационные ловушки, сложно, так как они быстро слипаются, меняют размер и форму [3, 5, 6].

В наших исследованиях изучали размерную структуру детрита в ряде пресных водоемов: Можайское водохранилище и небольшой эвтрофный пруд, расположенный в непосредственной близости от биостанци «Ильинское» МГУ им. М.В. Ломоносова [2, 6].

Определенная часть находящегося в толще воды исследованных водоемов детрита имеет в основном альгогенное происхождение, т.е. возникла в результате отмирания водорослей. Это подтверждается тем, что общая картина развития и отмирания водорослей (фитопланктона) и изменения количества планктонного детрита была сходной. Кроме того, увеличение количества седиментационного 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 физико-химические 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.

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 (900х).

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 (900х).

В работе использовали отечественные ядерные фильтры, произведенные в Дубне (Московская область). Чтобы исключить свечение самих фильтров, их предварительно выдерживали в насыщенном спиртовом растворе судана черного Б (Sudan Black B) [12].

Многолетние исследования с использованием указанной выше методики показали, что 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 следующее.

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 эвтрофном пруду количество частиц было примерно в полтора раза больше -  15 и 12 тыс./мл соответственно [5]. По другим сведениям, количество частиц детрита в водоемах разной трофности достигает 100 тыс. 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.

Необходимо подчеркнуть, частицы детрита несут несколько важных функций в водных экосистемах. Существует несколько важных аспектов того, как детрит связан с качеством воды в водоемах. Некоторые из этих аспектов упоминаются ниже.

С одной стороны, детрит входит в пищевую базу для питания многих организмов, в том числе водных беспозвоночных-фильтраторов воды. Тем самым они участвуют в формировании пищевых цепей (trophic chains) и трофических сетей (trophic webs). Активность водных беспозвоночных-фильтраторов вносит вклад в самоочищение воды, поддержание качества воды [26, 27].

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]. В ряде последующих работ были установлены новые факты и дополнительно подчеркнута важность органического вещества экосистем в иммобилизации токсичных элементов [19, 25], что ведет к снижению концентрации этих токсикантов в воде.

Еще одна важная функция детрита состоит в его взаимодействии с водными бактериями, активность которых возрастает при связывании бактерий с частицами детрита [3, 5, 6]. Поэтому установление количественных показателей детрита в столбе воды имеет большое значение для понимания экологии бактериопланктона. В свою очередь, бактерии окисляют органическое вещество воды и вносят дополнительный вклад в самоочищение воды и улучшение ее качества.

Существует связь между количеством взвешенных в воде частиц и мутностью воды. Детритные частицы входят в состав взвешенных в воде частиц (в суммарное число взвешенных в воде частиц входят также минеральные частицы, а также живые клетки бактерий, цианобактерий, простейших и водорослей). Поэтому количественные показатели численности детритных частиц (от которых зависит прозрачность и мутность воды) имеют большое значение для комплекса параметров, входящих в характеристику качества воды.

Вышеприведенный перечень из четырех пунктов подчеркивает практическое значение полученной информации, особенно в связи с тем, что Можайское водохранилище входит в систему водоснабжения и водообеспечения г. Москвы - крупнейшего мегаполиса Российской Федерации.

Полученные факты дополняют ранее известные количественные данные о детрите в водных экосистемах [28-41]. Накопление научной информации в этом направлении вносит вклад в научные основы экологического менеджмента, сохранения и улучшения качества воды в источниках водоснабжения.

Выводы:

1. В толще воды Можайского водохранилища (Россия, 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. 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 более крупных частиц детрита размером 10-50 мкм составляло в среднем 12 тыс./мл.
3. Расширение данных о количественных параметрах  детрита  вносит вклад в познание структуры и функционирования пресноводных экосистем.
4. Накопление новой количественной информации о взвешенных в воде детритных частицах имеет практическое значение для вопросов качества воды, расширения научной базы экологического менеджмента, сохранения и улучшения качества воды в источниках водоснабжения.

Литература:

1. Инкина Г.А. Определение жизнеспособных бактерий по методу Когуре // Струк- тура и функционирование сообществ водных микроорганизмов. - Новосибирск: Наука, - С. 28-33.
2. Куликов А.С., Садчиков А.П., Максимов В.Н. Общая активность бактерий седиментационного детрита, измеренная с помощью флуоресцеиндиацетата. //Миробио- логический 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. - Москва, 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. Бюлл. 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. // Гидробиологичес-кий 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. - том 53, № 1. - С. 165-166.
13. Остроумов С.А., Демина Л.Л. Экологическая биогеохимия и элементы (мышьяк, кобальт, железо, марганец, цинк, медь, кадмий, хром) в цистозире и биогенном детрите в морской модельной экосистеме: определение методом атомно-абсорбционной спектрометрии // Экологические системы и приборы, 2009. № 9. С. 42-45.
14. Остроумов С.А., Демина Л.Л. Тяжелые металлы (Fe, Mn, Zn, Cu, Cd, Cr) в био- генном детрите микрокосмов с водными организмами // Экология промышленного про- изводства, 2010. № 2. С. 53-56.
15. 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. 18-24.
16. Остроумов С.А., Колесов Г.М. О роли биогенного детрита в аккумуляции элементов в водных системах // Сибирский экологический журнал. 2010, № 4. С. 525-531. https://www.researchgate.net/publication/259484692; http://www.scribd.com/doc/ 54994042/.
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, Т. 12. № 1. С. 153-155.
18. Остроумов С.А. Новая типология вещества и роль exliving matter (ELM) в биосфере [New typology of the matter and the role of exliving matter (ELM)] // Ecological Studies, Hazards, Solutions, 2010. Vol.16. P. 62-65.
19. Остроумов С.А. Живое вещество и роль детрита в биогенной миграции микроэлементов. // В книге: Ермаков В. В., Карпова Е. А., Корж В. Д., Остроумов С. А. Инноваци- онные аспекты биогеохимии. Москва: ГЕОХИ РАН, 2012, с. 103-133. https://www.researchgate.net/publica- tion/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, №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.research- net/publication/301693440.
23. Johnson M.E., Ostroumov 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. 2688-2693. https://www.researchgate.net/publication/257860248.
24. Ostroumov 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 видов вещества в биосфере // Экологическая химия. 2011, т. 20(3). С.179-188. https://www.net/publication/301624938; https://www.researchgate. net/publication/301594108; https://www. researchgate.net/publication/301585971.
26. Остроумов С.А. О некоторых вопросах поддержания качества воды и ее самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т. 32. № 3. С. 337-347. https://www.researchgate.net/publica-tion/266736152.
27. Остроумов С.А. О биотическом самоочищении водных экосистем. Элементы теории // Доклады академии наук (ДАН). 2004. т.396. № 1. С.136-141. https://www.research- gate. net/publication/265294672.
28. Schartau , Wallhead P., Hemmings J., Loptien U., Kriest I., Krishna S., Ward B.A., Slawig T., and Oschlies A., Reviews and synthe ses: Parameter identification in marine planktonic ecosystem modelling. // Biogeosciences, 2017. Vol. 14(6), pp.1647-1701.
29. Li X, Cui B, Yang Q, Lan Impacts of water level fluctuations on detritus accumulation in Lake Baiyangdian, China.//Ecohydrology. 2016. V.9(1):52-67.
30. Dalu , Richoux N.B., Froneman P.W. Nature and source of suspended particulate matter and detritus along an austral temperate river-estu- ary continuum, assessed using stable isotope analysis. //Hydrobiologia. 2016. V.767(1):95-110.

31. 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. V.551:415-428.
32. Gladstone-Gallagher V., Needham H.R., Lohrer A.M., Lundquist C.J., Pilditch C.A. Site-dependent effects of bioturbatordetritus interactions alter soft-sediment ecosystem function. //Marine Ecology Progress Series. 2017 . V. 569:145-161.
33. Frainer A., Jabiol J., Gessner M.O., Bruder , Chauvet E., McKie B.G. Stoichiometric imbalances between detritus and detritivores are related to shifts in ecosystem functioning. //Oikos. 2016 .V.125(6):861-871.
34. Graca M.A., Hyde K., Chauvet E. Aquatic hyphomycetes and litter decomposition in tropical-subtropical low order //Fungal Ecology. 2016. V.19:182-189.
35. Меншуткин В.В., Руховец Л.А., Фила- тов Н.Н. Моделирование экосистем пресноводных озер (обзор). Гидродинамика озер // Водные ресурсы, 2013, Т. 40. № 6, С.566.
36. Jabiol , 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):1042-1051.
37. 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), 17-33.
38. Wu S., He S., Huang J., Gu J., Zhou , 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.
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. Martin-Creuzburg , 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. V.577:174-182.
41. Bottino F., Cunha-Santino M.B., Bianchini I. Decomposition of particulate organic carbon from aquatic macrophytes under different nutrient conditions. - Aquatic Geochemistry. V.22(1):17-33.
    

Quantitative studies of detritus in aquatic medium of freshwater ecosystems in connection with water quality considerations

The number of suspended particles, including detrital particles, in water column is one of important parameters that characterize water quality. In this article, some results of research of detritus in freshwater ecosystems were pre1 sented. Aquatic ecosystems were studied, namely, Mozhaiskoe Reservoir and an eutrophic pond in Moscow Region (Russian Federation). In Mozhaiskoe Reservoir, the detrital particles with size up to 10 mkm (micrometers) comprise 52156% of the total amount of detrital particles. In this reservoir, the detrital particles with size of 10150 mkm (micrometers) comprise 42155% of the total amount of detritus, the detrital particles with size more than 50 mkm comprise 113% of the total amount of the detritus.

Keywords: water quality, size of detritus particles, Mozhaiskoe Reservoir, eutrophic pond, Moscow Region.

Sadchikov Anatoly Pavlovich, doctor of biology, professor, International biotechnological center, eDmail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;

Kotelevtsev Sergey Vasilyevich, doctor of biology, leading researcher of the laboratory of physicoDchemistry of biomembranes, eDmail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.;

Ostroumov Sergey Andreevich, doctor of biology, leading researcher of the laboratory of physicoDchemistry of biomembranes.

Moscow state University named after M. V. Lomonosov. Russia, 119234, Moscow, Leninskie Gory, 1, bld. 12, faculty of biology, Moscow state University.

Журнал «Вода Magazine», №7 (119), 2017 г.