ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 3, с. 330-338
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 579.68(28);570.68(28)
МЕТАНОГЕНЕЗ И ДЕСТРУКЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ДОННЫХ ОСАДКАХ ТЕХНОГЕННЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
© 2014 г. А. Н. Дзюбан
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок Некоузского района Ярославской обл. E-mail: microb@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 22.06.2011 г.
Выявлены особенности микробных процессов образования метана и деструкции органического вещества в донных осадках техногенных водных объектов, в которых при обилии Сорг-соединений, включая токсичные, дефиците растворенного О2 и низком окислительно-восстановительном потенциале распад органического вещества в осадках происходит преимущественно анаэробным путем с доминированием метаногенеза и сульфатредукции. По данным основных микробных процессов выполнены расчеты суммарной иловой деструкции; она максимальна в осадках слаботоксичных техногенных водоемов, распад органического вещества в них идет большей частью за счет метаногенеза; минимальна — в высокотоксичных водоемах, доля в ней сульфатредукции возрастает, а метаногенеза — снижается.
Ключевае слова: метаногенез, деструкция, техногенные водоемы, донные осадки.
Б01: 10.7868/80321059614020072
Деструкция органического вещества (ОВ) в донных осадках (ДО) водоемов — важное звено функционирования их экосистем [11], а интенсивность и направленность процессов зависят, в первую очередь, от активности аэробных и анаэробных микробных сообществ [5, 16]. Благодаря их деятельности происходит разрушение не только природных ОВ, но также трудноминерализуемых и токсичных для других гидробионтов соединений, поступающих с бытовыми и хозяйственными отходами [5, 11]. При антропогенном воздействии на водоемы большая часть оформленных загрязнений оседает на дно и оказывает влияние на формирование и функционирование иловых микробных ценозов [12].
Ранее было отмечено, что с увеличением антропогенной нагрузки на пресноводные объекты интенсивность и направленность процессов микробной деструкции ОВ в грунтах изменяется в сторону увеличения роли анаэробного распада и в первую очередь — цикла СН4 [6]. Подобная перестройка деятельности бактериобентоса может привести, в зависимости от степени и характера загрязнений, к серьезным негативным последствиям для водоемов, однако исследования подобных ситуаций пока единичны [6, 11]. В этой связи большой интерес вызывает изучение метаногенеза (МГ) и
других микробных процессов, связанных с деструкцией ОВ, в осадках техногенных водных объектов (ТВО), сведения о которых практически отсутствуют.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работы на ряде ТВО, ДО которых насыщены различными токсичными промышленными отходами [4, 6, 8, 9, 14], проводились в летне-осенние периоды 1991—2005 гг. на следующих объектах: 1 — на водоеме-накопителе целлюлозно-бумажного комбината в г. Амурске (АЦБК) в нижнем течении р. Амур (Хабаровский край); 2 — в реках Серовка и Ягорба в промышленной зоне г. Череповца (Вологодская обл.) на северном берегу Рыбинского водохранилища; 3 — в отстойнике техногенных сбросов Костромской ГРЭС (КГРЭС) на правом берегу Горьковского водохранилища ниже г. Костромы. Для сопоставления с ТВО были проведены исследования небольшого высокотрофного оз. Омми, расположенного вблизи г. Амурска. Краткая общая характеристика обследованных водоемов представлена в табл. 1.
ДО отбирали коробчатым дночерпателем, позволяющим сохранять их структуру, из них стерильными трубками извлекали пробы поверхност-
Таблица 1. Общая характеристика обследованных водных объектов (числитель — поверхность, знаменатель — у дна; здесь и в табл. 2—5 прочерк — отсутствие анализа)
Название ТВО Площадь, км2 Глубина, м (максимальная) Содержание в воде
О2, мг/л СН4, мл/л
Водоем-накопитель АЦБК 1.2-7.2 9-16 1.5/0 2.7/4.5
Устье р. Серовки <0.001 <0.5 3-4/- 0.07/-
Участок р. Ягорбы у ФМК ~0.005 2.8 6.5/4-5 0.06/0.2
Отстойник КГРЭС 0.05 3.5 7.6/6-7 -
оз. Омми 0.9 2.5 10.2/10.1 0.06/0.08
ного слоя для анализов, посевов и экспериментов; воду отбирали плексигласовым батометром Рутне-ра объемом 2 л. Заполнение экспериментальных сосудов (стратометрических флаконов) илами и водой проводилось сразу после отбора материала. Последние представляют собой градуированные плексигласовые цилиндры длиной 15 см с внутренним диаметром 2.5 см. Верхняя часть флакона соответствует стандартной склянке под "пени-циллиновую" пробку из силиконовой резины с навинчивающимся колпачком, в котором сделаны отверстия для инъекционных игл. Нижняя часть флакона - конец стратометрической трубки для отбора проб, грунтовая колонка в которой закрепляется снизу крышкой с прокладкой из вакуумной резины (рис. 1). Часть проб фиксировали для дальнейшего химического и газохроматогра-фического анализа [5, 10].
Окислительно-восстановительный потенциал Яеё/Ох (ЕЙ) среды и рН измеряли иономером "Яаёе!^", концентрацию растворенного в воде О2 — оксиметром "КЛ-115", органического углерода (Сорг) в илах — на газохроматографическом анализаторе '^N^1". Легкогидролизуемые фракции ОВ (Слг) выделяли обработкой пробы 5%-ного раствора Н^О4. Содержание СН4 в воде и ДО определяли методом фазового равновесия [17] на хроматографе "СИгот-5" с пламенно-ионизационным детектором при условиях: длина колонок — 2.4 м, сорбент — "Рогараек^", газ-носитель — Не, температура термостата — 36°С.
Общее количество бактерий подсчитывали на мембранных фильтрах "^упрог" (поры — 0.17 мкм) под микроскопом "Ег§ауа1" с увеличением 10 х 100. Аэробные гетеротрофные (сапрофитные) бактерии выращивали на РПА, анаэробные — на РПА е восстановителем, сульфатредуцирующие (СРБ) -на среде Постгейта "В", метаногенные археи (МГА) учитывали по методу С.С. Беляева [9], анализируя прирост СН4 при инкубации посевов в склянках с питательной средой.
Эксперименты по определению образования и потребления СН4 в ДО проводили в стратометри-ческих флаконах по следующей схеме: 1 — нижняя цилиндрическая часть заполняется иловой колонкой нужной толщины, на нее наслаивается придонная вода, и сосуд герметично закрывается с использованием инъекционных игл; 2 — кон-
Рис. 1. Схема "Стратометрического флакона" для определения МГ в иловой колонке с ненарушенной структурой. 1 — колпачок с отверстиями, 2 — пробка из силиконовой резины, 3 — плексигласовый цилиндр, 4 — сантиметровые метки, 5 — пробка-фиксатор иловой колонки, 6 — прокладка из вакуумной резины, 7 — нижняя навинчивающаяся крышка.
трольная пара флаконов, а также придонная вода, разлитая в герметичные склянки, фиксируются 0.5 мл насыщенного раствора сулемы (Hg2Cl2); 3 — в первую пару опытных флаконов (в аэробных водах) добавляется ингибитор метанокисления ал-лилтиомочевина по прописи [15, 19] и вместе со второй парой (без добавок) сосуды инкубируются в светонепроницаемых мешках 8—24 ч in situ, затем содержимое фиксируется и перемешивается; 4 — в лаборатории с помощью инъекционных игл во всех флаконах создается газовая фаза из аргона или гелия (инертного газа), в течение 2—3 ч межфазовое парциальное давление СН4 выравнивается, и пробы анализируются на газовом хроматографе с пламенно-ионизационном детектором.
Расчеты концентраций СН4, а также интенсивности МГ или окисления СН4 (ОМ) по разности между контролем (К) и различными вариантами опытов (ОП) с учетом объемов ила, воды и газовой фазы выполняли согласно [7, 9, 17, 18] по формулам:
МГ (анаэробные условия) = ОП (без добавок) — К;
МГ (аэробные условия) = = ОП (с ингибитором МО) — К;
ОМ = ОП (с ингибитором МО) — ОП (без добавок).
Валовую величину аэробной и анаэробной деструкции ОВ в поверхностных слоях ДО оценивали по количеству поглощенного ими О2 и выделенного СО2 в герметичных стратометрических трубках с иловым монолитом и придонной водой [10, 11]. Скорости микробных процессов темно-вой ассимиляции СО2 (ТА) и сульфатредукции (СР) измеряли радиоизотопным методом, применяя растворы 14С-бикарбоната и -^-сульфата, согласно описанной схеме [9], и анализируя активность бактериальных препаратов на сцинтилля-ционном счетчике "Mark-2".
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Обследованные водные объекты существенно различались по многим морфологическим и технологическим характеристикам. Однако всем ТВО присуще весьма важное общее свойство — накопление в ДО трудноминерализуемых отходов производства (в том числе токсичных), среди которых имеются различные восстановленные соединения. Последнее ведет к резкому снижению Red/Ox в среде, влияющего на структуру и функционирование бактериоценозов.
Водоем-накопитель переработанных сточных вод АЦБК создан путем обвалования оврага с ру-
чьем и представляет собой специфическую озерную экосистему. Площадь его водного зеркала и максимальная глубина сильно колеблются в зависимости от наполнения (табл. 1), что обусловлено производственным циклом.
Исследования, проведенные 26 сентября -23 октября 1991 г., показали, что в условиях гомо-термии водные массы водоема-накопителя по физико-химическим свойствам достаточно однородны. При высоких показателях цветности (~500 град. хромово-кобальтовой шкалы) и обеспеченности Сорг (~700 мг С/л) они по всей глубине содержали большое количество СН4, а концентрация О2 лишь у самой поверхности составляла 1.31.5 мг/л (табл. 1).
Дно водоема-накопителя покрыто глубоко-восстановленными грубодетритными осадками, богатыми Сорг. В непосредственной близости от коллектора они жидкие и газирующие, у другого берега - плотные. В "молодых" газирующих илах доля Слг вдвое выше, чем в "старых" плотных. Концентрация в осадках сульфатов повсюду очень высока [5], особенно - в "старых" отложениях, где
она достигала 680 мг S О-2/дм3 (табл. 2).
Специфические свойства осадков обусловили формирование в них преимущественно анаэробного микробного сообщества [4]. При этом неоднородность ДО на отдельных участках водоема-накопителя отразилась как на составе доминирующих групп (табл. 3), так и на функционировании микробных ценозов в целом.
На большей части дна водоема-накопителя деструкция ОВ протекала исключительно анаэробным путе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.