влияние высоких концентраций нитратов на численность

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НИТРАТОВ НА ЧИСЛЕННОСТЬ
МИКРООРГАНИЗМОВ КРУГОВОРОТА АЗОТА В МОДЕЛЬНЫХ ВОДОЕМАХ
УДК 579.68:57.044
М.Г. Андреева
Институт проблем экологии и недропользования А Н РТ, allelop@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НИТРАТОВ
НА ЧИСЛЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ КРУГОВОРОТА АЗОТА
в м одельны х водоем ах
В модельном эксперименте показано, что высокие концентрации нитратного азота в водоеме мо­
гут 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 био­
генными элементами, в том числе нитратами.
Повышение содержания азота приводит к эвтрофированию экосистем (Драбкова и др., 1980) и, как
следствие, к бурному развитию водорослей, умень­
шению концентрации растворенного кислорода.
гибели рыбы, уменьшению разнообразия флоры,
образованию массы гниющих органических остат­
ков и т. п. (Александров, 2006). Увеличение нагруз­
ки по азоту в среде отражается на физиологии, био­
химии, морфологии водной биоты (Krientz et al.,
1996), в том числе высшей водной растительности,
изменяет ее реакции на другие стрессовые воздей­
ствия среды (Fluckiger, 1988).
Микроорганизмы являются главным звеном
самоочищения гидроэкосистемы, посредниками
между растворенным органическим веществом
и остальными гидробионтами, неспособными
непосредственно его усваивать. Помимо это­
го, 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).
1600
Цель работы - выявить влияние высоких кон­
центраций нитратного азота в водной среде на
микроорганизмы, осуществляющие цикл круго­
ворота азота.
Материалы и методы
Исследования проводили с июня по сентябрь
в экспериментальных водоемах с природной во­
дой (30 л), грунтом (10 л), комплексом донного
и планктонного сообществ, куртинами предста­
вителя высшей водной растительности (ВВР)
- рогоза узколистного (Typha angustifolia), при­
везенными из озера Средний Кабан (г. Казань).
Моделировали два типа биотопов: заросший (с
рогозом) и открытый (без рогоза). Нитрат на­
трия 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 кругово­
рота азота (сапрофитов, олиготрофов, азотфиксаторов, нитрификаторов и денитрификаторов)
определяли путем посева на селективные пи­
тательные среды (Теппер и др., 1979; Кузнецов,
Дубинина, 1989).
Химический анализ природной воды на ни­
траты проводился в соответствии с ПНД Ф
открытые биотопы
1400
1200
J3 1000
, S„ 800
О 600
400
200
0
контроль,
□ 1 мес (июль)
N 40
■ 2 мес (август)
N 400
□ 3 мес (сентябрь)
контроль
□ 1 мес ьиюль)
N 40
■ 2 мес (август)
N 400
□ 3 мес (сентябрь)
Рис. 1. Содержание нитратов в открытых и заросших биотопах
38
р осс и й с ки й ж у р н а л при кл ад ной экологии
lg тыс. кл /мл
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ
заросший биотоп
азотфиксаторы
заросший биотоп
lg тыс. кл/мл
.
,
lg тыс. кл/мл
олиготроф ы
заросший биотоп
lg тыс. кл/мл
нитрификаторы
10000
1000
lg тыс. кл/мл
я
О
н
-контроль
-N40
-N400
100
10
1
0,1
июнь
ию ль
август
сентябрь
Рис. 2. В лияниевы соких концент рацийнит рат ногоазот а начисленност ь разныхгруппм икроорганизм ов
2/2015
39
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НИТРАТОВ НА ЧИСЛЕННОСТЬ
МИКРООРГАНИЗМОВ КРУГОВОРОТА АЗОТА В МОДЕЛЬНЫХ ВОДОЕМАХ
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 интенсив­
нее в заросших биотопах ввиду поглощения вод­
ной растительностью (рис. 1), что согласуется с
данными M.W. Banoub (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 зарос­
шем становилась ниже. Это может быть обуслов­
лено тем, что в отсутствие рогоза нитраты доль­
ше остаются в воде и продолжают использоваться
микроорганизмами в процессах конструктивного
обмена и роста. N40 ингибировал развитие са­
профитной микрофлоры: в открытом биотопе ее
численность ниже контрольной в течение всего
эксперимента, в заросшем исключением был ав­
густ, когда отмечен всплеск численности сапро­
фитов (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 бы­
строму поглощению нитратов рогозом, увеличе­
ние численности олиготрофов наблюдалось уже
в первый месяц после внесения нитратов N400 и
сохранялось на протяжении почти всего экспери­
мента. Меньшая концентрация азота (N40) про­
явила меньший стимулирующий или больший
ингибирующий эффект на численность и сапрофитов, и олиготрофов.
Несомненно, что на развитие бактериопланктона влияют многие факторы, которые в зарос­
шем биотопе более разнообразны; более сложны
биоценоз и состав среды, по-разному влияющие
на группу олиготрофных микроорганизмов. Но
общая тенденция заключается в том, что в опре­
деленные периоды вегетационного сезона ВВР
способствует развитию олиготрофных микро­
организмов даже на фоне высокой нагрузки по
нитратам. То, что высокая концентрация органи­
ческих и минеральных соединений азота не ин­
гибирует развитие как сапрофитов, так и олиго­
40
трофов, подтверждается в работе Г.Н. Олейник и
Е.В. Старосилы (2005). Авторы считают, что при
высоком содержании минерального азота микро­
организмы активно используют его в конструк­
тивном метаболизме.
Таким образом, избыток минерального азота
по-разному влияет на микроорганизмы в откры­
тых и заросших биотопах. Это отмечается в ра­
боте Е.В. Старосилы с соавторами (Старосила и
др., 2007), изучавших влияние высоких концен­
траций аммонийного азота на бактериопланктон.
Авторы считают, что различная зависимость меж­
ду концентрациями аммонийного азота и показа­
телями развития бактериопланктона может быть
объяснена разной степенью развития макрофитов
в водоемах. При интенсивном развитии ВВР бак­
терии занимают подчиненное место в этих про­
цессах, вследствие чего взаимосвязь между их
развитием и концентрацией аммонийного азота
не выражена.
В открытом биотопе в июле наблюдался спад
численности азотфиксирующих микроорганиз­
мов в опытных и контрольном вариантах, боль­
ший на фоне N400 (рис. 2). В заросшем биотопе
в контроле этот спад отсутствовал, а на фоне из­
бытка азота отмечен в меньшей степени, чем в от­
крытом биотопе. В августе, на пике численности
этой группы микроорганизмов в обоих биотопах,
N40 стимулировал, а N400 подавлял их размно­
жение. Это согласуется с данными о том, что не­
большие дозы связанного азота (соли аммония,
нитраты, нитриты, аминокислоты) не депрессируют азотфиксацию, а иногда даже стимулиру­
ют, высокие же могут подавлять не только про­
цесс азотфиксации, но и размножение этой груп­
пы микроорганизмов (Мишустин, Емцев, 1987;
Рубенчик, 1960).
Нитратный азот N40 и N400 стимулировал раз­
витие нитрификаторов в заро сшембиотопе (рис.2).
Снижение численности нитрификаторов, наблю­
давшееся в июле в открытом биотопе, в зарос­
шем биотопе на фоне нитратов отсутствовало.
Особенно сильно численность возрастала в июле
на фоне N400, несколько снижаясь в августе. Этот
всплеск численности коррелировал с увеличени­
ем количества сапрофитов и олиготрофов. В дан­
ном эксперименте определялись гетеротрофные
нитрификаторы, использующие органический
субстрат, которые способны развиваться одновре­
менно с сапрофитами. Гетеротрофные нитрификаторы широко распространены в естественных
условиях. К ним относятся бактерии из родов
Pseudomonas, Xanthomonas, Bacillus, Arthrobacter,
Corynebacterium, Nocardia. Гетеротрофная ни­
р осс и й с ки й ж у р н а л при кл ад ной экологии
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ
трификация может приобретать главенствующее
значение в атипичных условиях, например, при
высоком содержании органического вещества.
При этом, помимо нитритов и нитратов, образу­
ется широкий спектр соединений - гидроксиламин (NH2OH), аминооксимы (R3OH), гидроксамовые кислоты (R-CONH2OH), нитрозосоединения (RN-NO), нитросоединения (RCH2-N 02)
(Мишустин, Емцев, 1987; Умаров и др., 2007). В
открытом биотопе увеличения численности нитрификаторов под действием нитратов не проис­
ходило, а на фоне N40 в июле отмечено угнетение
их развития (рис. 2).
В первый месяц в открытом биотопе числен­
ность денитрификаторов очень низка как в контр­
оле, так и на фоне нитратов. В дальнейшем при
общем возрастании их численности наблюда­
лось ингибирование роста в N40 по сравнению с
контролем в августе и стимуляция в N400 в сентя­
бре (рис. 2). В заросшем биотопе N400 проявила
стимулирующее влияние на эту группу микроор­
ганизмов.
Выводы
1. N40 в открытом биотопе оказал влияние на
все группы микроорганизмов: на сапрофитов и
олиготрофов - только ингибирующее, в отноше­
нии остальных групп ингибирование роста соче­
талось с отсутствием влияния. В заросшем биото­
пе, 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 денитрификаторов, ингибировал олиготрофов и азотфиксаторов.
В заросшем биотопе происходило стимулирова­
ние роста всех групп микроорганизмов, кроме
азотфиксаторов, но их ингибирование было сла­
бее, 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, пре­
пятствует сильному снижению численности в пер­
вый 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 кругово­
рота азота, даже при наличии ингибирования.
2/2015
Список литературы
1. Александров С.В. Первичная продукция и показатели
фитопланктона как критерии евтрофирования Куршского за­
лива Балтийского моря // Водные ресурсы. 2006. Т. 33, № 1.
С. 104-110.
2. Драбкова В.Г., Локк С.И., Островская Т.А. // Антропо­
генное 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 экоси­
стем. Ижевск: КнигоГрад, 2011. 332 с.
4. Кузнецов С.И., Дубинина ГА. Методы изучения вод­
ных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.
5. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М.: Агропромиздат, 1987. 368 с.
6. Олейник Г.Н., Старосила Е.В. Микробиологическая ха­
рактеристика 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 ион­
ной хроматографии.
8. Рубенчик Л.И. Азотобактер и его применение в сель­
ском 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 содержа­
нием минерального азота // Гидробиол. журн. 2007. Т. 43, № 3.
С. 94-104.
10. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Пра­
ктикум по микробиологии. М.: Колос, 1979. 215 с.
11. Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробио­
логическая 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 Polyphosphateaccumulating 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 con­
centrations on the microorganisms number of ni­
trogen cycle in the model ponds
In the model experiment is shown that high con­
centrations of nitrate nitrogen in the water can not
only inhibit, but also stimulate the growth of micro­
organisms of the nitrogen cycle, especially in habitats
with higher water vegetation.
Keywords: nitrate nitrogen; saprophytes; oligotrophs; nitrifiers; denitrifiers.
41