БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2014, № 3, с. 101-105
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 579.68
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛНОЙ ВАЛОВОЙ ДЕСТРУКЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГРУНТАХ ВОДОЕМОВ
© 2014 г. А. Н. Дзюбан
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: microb@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 19.03.2013 г.
Предложена новая схема определения деструкции органического вещества в донных отложениях водоемов с учетом метаногенеза и темновой ассимиляции СО2. Оценка валовой деструкции по новой методической схеме возрастает на 30-60%.
Ключевые слова: деструкция органического вещества, донные отложения, методы. DOI: 10.7868/S032096521403005X
ВВЕДЕНИЕ
Полноценное экосистемное изучение внутренних водоемов и расчеты в них баланса органического вещества (ОВ) невозможны без учета распада ОВ в донных отложениях (ДО) [4], на долю которого по ориентировочным оценкам приходится до 25-40% общей деструкции в воде и грунтах [7]. Однако подобные работы тормозятся методическими трудностями и технической сложностью анализа, особенно в оценке анаэробной составляющей валового деструкционного потока [2].
Цель работы - восполнить недостатки метода определения полной валовой деструкции ОВ в донных отложениях водоемов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Валовую деструкцию органического вещества в ДО водоемов долгое время оценивали по традиционной схеме [5, 6], когда общую величину распада ОВ (Добщ) определяли по выделению из отложений в воду СО2, аэробную составляющую (Да) — по поглощению ими из воды О2. Оценку же анаэробной деструкции (Дан) проводили не прямыми измерениями, а по разности между величиной общей деструкции и аэробной (Добщ — Да). Появляющиеся при таком расчете отрицательные результаты Дан (чаще на загрязняемых участках [2]) обычно принимали за ноль или "выбраковывали" без какого-либо анализа. Возникновение подобных погрешностей может происходить по двум основным причинам: 1 — завышение оценки Да при активном потреблении кислорода в химических реакциях окисления (ХПК), 2 — занижение оценки Добщ из-за реассимиляции выделяемого из илов
метаболического СО2 в ходе других микробных процессов. Доработка традиционного метода с введением в него поправки на ХПК снизило долю некорректных результатов расчета Дан [1]. Данные по реассимиляции углекислоты (РА) до последнего времени не учитывали, хотя в процессах метаногенеза и темновой фиксации СО2 величина РА, как показали исследования [2], может быть весьма значимой. Другие способы оценки распада ОВ в отложениях либо отражают деятельность отдельных микробных групп и неудовлетворительны по полноте [8], либо проводятся с использованием сложного оборудования, пригодного лишь в стационарных экспериментах [9]. В связи с этим традиционная схема оценки валовой деструкции в илах по-прежнему наиболее адекватна и пригодна для полевых исследований, однако требует уточнений для получения более полных данных.
Для совершенствования методики определения деструкции ОВ в июле 2004 г. проведена серия опытов с донными отложениями различных участков оз. Плещеево (Ярославская обл.) и его притока р. Трубеж (рис. 1), проходящего через г. Переславль-Залесский и сильно загрязняемого его сточными водами.
Отложения отбирали коробчатым дночерпате-лем, позволяющим сохранять их структуру. Затем стеклянными цилиндрами вырезали иловые монолиты для экспериментов, трубками извлекали пробы поверхностного слоя для анализа, воду — плексигласовым батометром Рутнера объемом 2 л. Экспериментальные сосуды (стратометриче-ские флаконы) заполняли илами и водой сразу после отбора материала. Стратометрические флаконы представляют собой градуированный плек-
р. Вёкса
Рис. 1. Расположение станций на различных участках р. Трубеж (1—4) и оз. Плещеево (5—8): 1 — выше г. Переславль-Залесский, 2 — в черте города, 3 — зона техногенных стоков, 4 — устье реки, 5 — открытая литораль, 6 — начало сублиторали, 7 — сублиторальная зона, 8 — котловина озера (профундаль).
сигласовый цилиндр длиной 15 см и внутренним диаметром 2.5 см. Верхняя часть флакона соответствует стандартной склянке под "пеницилли-новую" пробку из силиконовой резины с навинчивающимся колпачком, в котором сделаны отверстия под инъекционные иглы; нижняя -конец стратометрической трубки для отбора проб, грунтовая колонка в которой закрепляется снизу крышкой с прокладкой из вакуумной резины (рис. 2). Часть проб фиксировали для дальнейшего химического и газохроматографического анализов.
Растворенный в воде O2 измеряли оксиметром КЛ-115, окислительно-восстановительный потенциал или Red/Ox (в форме Eh) - иономером Radel-kis, интенсивность Р-излучения бактериальными препаратами - с помощью сцинтилляционного счетчика Mark-2. Органический углерод (Сорг) определяли на газохроматографическом анализаторе CNH-1, отделяя его легкогидролизуемую фракцию (Слг) обработкой пробы 5%-ной H2SO4, концентрацию метана (СН4) - методом фазового равновесия [11] на хроматографе Chrom-5 с пламенно-ионизационным детектором и сорбентом Porapack-Q.
Потребление грунтами О2 и выделение ими СО2 изучали в опытах с изолированными стеклянными трубками, заполненными иловым монолитом и придонной водой, схема которых и по-
следующие расчеты подробно описаны в работах [1, 6]. Темновую бактериальную ассимиляцию СО2 (ТА) в донных отложениях измеряли стандартным методом с использованием радионук-лидной "метки" 14С-бикарбоната [6].
Эксперименты по определению интенсивности метаногенеза (МГ) в ДО проводили в страто-метрических флаконах по следующей схеме. Нижнюю цилиндрическую часть заполняли иловой колонкой нужной толщины, на нее наслаивали придонную воду и сосуд герметично закрывали с использованием инъекционных игл. Контрольную пару флаконов и придонную воду, разлитую в герметичные склянки, фиксировали насыщенным раствором (0.5 мл) сулемы (Hg2Cl2). В первую пару опытных флаконов (в аэробных водах) добавляли ингибитор метанокисления ал-лилтиомочевину по прописи [10] и вместе со второй парой (без добавок) сосуды инкубировали в светонепроницаемых мешках 8—24 ч in situ, затем содержимое фиксировали и перемешивали. В лаборатории с помощью инъекционных игл во всех флаконах создавали газовую фазу инертного газа, в течение 2—3 ч межфазовое парциальное давление СН4 выравнивали и пробы анализировали на газовом хроматографе с пламенно-ионизационном детектором.
Расчеты концентраций СН4, а также интен-сивностей его образования (МГ), проводимые по
разности между контролем (К) и различными вариантами опытов (ОП) с учетом объемов ила, воды и газовой фазы, выполняли согласно работам [11, 12] по формулам
МГ (анаэробные условия) = = ОП (без добавок) — К,
МГ (аэробные условия) = = ОП (с ингибитором ОМ) — К.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Станции для проведения исследований устанавливали так, чтобы характеристики донных отложений, отобранных для проведения опытов из р. Трубеж (ст. 1-4) и оз. Плещеево (ст. 5-8), отражали максимально широкий спектр условий функционирования бактериобентоса (табл. 1).
Одна из экологически важных особенностей загрязняемых донных отложений р. Трубеж — высокая концентрация в них Сорг и сохранение умеренной восстановленности (судя по показаниям ЕЬ) даже в условиях проточности. Однако на протяжении реки характер загрязнений сильно различался, что отражалось на составе ОВ отложений. Так, на участке массированного поступления технических отходов (ст. 3) общее содержание Сорг было максимальным (42 мг на 1 см3 сырой пробы), но на лабильные фракции приходилось лишь 6.7%, а в зоне преобладания бытового загрязнения (ст. 4) черные восстановленные и газирующие илы содержали до 20% Слг при достаточно высокой общей концентрации Сорг. Отмеченные свойства ДО р. Трубеж весьма благоприятны для развития анаэробных групп микроорганизмов [7], в частности метаногенов, что подтверждается высокой концентрацией СН4 в наиболее загрязняемых осадках (ст. 2—4).
Еще более контрастны по физико-химическим параметрам озерные донные отложения. Запас ОВ в окисленных песках литорали (ст. 5, 6) мал, поэтому численность бактерий в них низка и развивались преимущественно аэробные группы микроорганизмов [7]. С приближением к котло-
Рис. 2. Схема "Стратометрического флакона" для определения метаногенеза 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.
вине озера окислительно-восстановительный потенциал поверхностных слоев осадков снижался и возрастала их обеспеченность как общим ОВ, так и лабильными соединениями (табл. 1). Чер-
Таблица 1. Общая характеристика донных отложений (слой 0—3 см)
Номер станции Состав отложений О2 у дна, мг/л ЕЬ, мВ Сорг, мг/см3 С % С лг орг СН4, мл/дм3
1 Заиленный песок 7.2 65 8.6 6.1 1.1
2 Грубодетритный ил 6.1 40 17.3 18 12.2
3 Черный ил с нефтяной пленкой 5.8 40 42.4 6.7 38.4
4 Темный газирующий ил 4.2 20 21.6 20 52.6
5 Промытый песок 10.3 160 1.2 - <0.01
6 Заиленный песок 7.6 90 2.4 - 1.2
7 Темный песчанистый ил 7.2 65 10.8 11 5.7
8 Черный вязкий ил 0 -20 16.2 12 18.0
Таблица 2. Определение деструкции ОВ в ДО традиционным методом
Номер станции Поглощение О2 Деструкция ОВ, мг С/(м 2 • сут)
общее, мг/(м2 • сут) химическое, % общая по СО2 аэробная анаэробная
1 160 - 65 70 -5
2 560 11 300 220 80
3 550 35 165 180 -15
4 775 19 545 285 260
5 45 <1 20 20 0
6 200 5 85 85 0
7 395 7 225 165 60
8 0 0 110 0 110
Таблица 3. Определение полной деструкции в ДО с учетом процессов МГ и ТА
Номер станции МГ, мл СН4/(дм3 • сут) ТА, мг С/(дм3 • сут) Деструкция ОВ, мг С/(м2 • сут) Вклад в суммарную деструкцию, %
суммарная анаэробная МГ ТА
1 0.06 0.2 75 5 1 8
2 16 1.8 560 340 37 10
3 26 3.3 600 420 56 26
4 48 1.3 1210 925 52 3
5 <0.01 0.05 22 2 0 7
6 0.1 0.4 100 15 1 12
7 5.3 4.6 432 265 16 32
8 16 0.6 340 340 61 4
ные профундальные илы (ст. 8) достаточно богаты Сорг и в период стратификации обладали глубоко восстановленными свой
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.