CC BY
34Б01: 10.24411/9999-010А-2019-10131 Н.Г. ШЕРЫШЕВА1, М.А. УНКОВСКАЯ2
1 Институт экологии волжского бассейна РАН; Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Россия
2 Волжско-Камский государственный природный биосферный заповедник; Институт экологии и природопользования Казанского (Приволжского) федерального университета, г. Казань, Россия
ДОННЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ И БАКТЕРИОБЕНТОС ВОДНОЙ СИСТЕМЫ Р. СЕР-БУЛАК - ОЗ. КАРАСИХА (ВОЛЖСКО-КАМСКИЙ ЗАПОВЕДНИК, РЕСПУБЛИКА ТАТАРСТАН)
Река Сер-Булак и озеро Карасиха являются частью гидросистемы поверхностных вод Раифского участка Волжско-Камского заповедника. Река Сер-Булак протекает через заповедное оз. Линево и оз. Карасиха, расположенное в пос. Садовый и впадает в оз. Раифское (Унковская и др., 2002). Оз. Карасиха - небольшой водоем круглой формы площадью 0,4 м2 с максимальной глубиной 10,8 м; характерной особенностью озера является высокая цветность - 380 и высокое содержание общего железа - 2,77 мг/л в воде. (Горбунов, 2011). Поверхность озера плотно покрыто ряской. Задачей настоящей работы было получение первых данных о физико-химических характеристиках донных отложений и таксономическом составе бактериобентоса р. Сер-Булак и оз. Карасиха.
Объекты и методы исследования
Исследования проводились в августе 2007 г. Пробы грунта отбирались на р. Сер-Булак на четырех станциях: 1 - в воронке, расположенной между озерами Линево и Карасиха в районе дамбы, 2 - на ручьевом участке перед впадением в оз. Карасиха, 3 -на расстоянии 50 м от истока из оз. Карасиха, 4 - в устье р. Сер-Булак в заболоченной части оз. Раифское; в оз. Карасиха - на двух станциях: на мелководье около уреза воды и в прибрежье на глубине 3 м (рис.).
Рис. Схема отбора проб донных отложений на р. Сер-Булак и оз. Карасиха: 1 - воронка, расположенная между озерами Линево и Карасиха в районе дамбы; 2 - ручьевой участок р. Сер-Булак перед впадением в оз. Карасиха; 3 - р. Сер-Булак на расстоянии 50 м от истока р. Сер-Булак из оз. Карасиха; 4 -устье р. Сер-Булак в заболоченной части оз. Раифское; 5 - мелководье оз. Карасиха; 6 - оз. Карасиха на глубине 3 м
© 2019 Шерышева Наталья Григорьевна, 8арй [email protected]; Унковская Мария Андреевна, [email protected]
Пробы грунтов отбирались трубчатым стратометром из поверхностных горизонтов (0-10 см). В момент отбора в грунтовой колонке измерялись значения температуры, активной реакции среды (pH) и редокс-потенциала. Для оценки окислительно-восстановительных условий в илах с учетом активной реакции среды (рН) применяли расчетный показатель, выраженный в rH2 (определяемый как Eh/29 + 2рН) (Кузнецов, Дубинина. 1989). Согласно (Романенко, 1985) анаэробным условиям соответствует интервал 0 < rH2 > 12-13, микроаэробным - 12-13 < rH2 > 18-20, аэробным - rH2 > 18-20. Гранулометрический анализ (Кузяхметов, 2004) выполнен с выделением фракций: > 1 мм (крупнозернистый песок); 1-0,1 мм (среднезернистый и мелкозернистый песок); 0,1-0,01 мм (алеврит); < 0,01 мм (пелит). Идентификацию типов донных отложений проводили на основе процентного содержания частиц размером < 0,01 мм по классификации Кленовой М.В. (Зайков, 1960). Микроскопический анализ грунтов выполнен на бинокуляре МБ-9 при увеличении х 100.
Общую численность бактерий в донных отложениях определяли прямым методом (Дзюбан, Горленко, 1989), включающим приготовление иловых болтушек, фильтрование бактериальной суспензии через мембранные фильтры с последующей окраской карболовым эритрозином. Клетки бактерий подсчитывали под поляризационно-интерференционным микроскопом BIOLAR при увеличении х 1250.
Для установления таксономической принадлежности бактерий применяли высокочувствительный метод масс-спектрометрии микробных маркеров (МСММ) с использованием базы данных (Sherysheva et al., 2015). Метод позволяет определить виды бактерий численностью более 104 кл/г ила. Анализ проведен на хромато-масс-спектрометре АТ 5973 фирмы Agilent Technologies
Результаты и их обсуждение
Характеристика илов. В озерах и водотоках Раифского участка типы донных отложений формируются на основе подстилающих почв (Шерышева, 2016). В районе оз. Карасиха и прилегающего участка р. Сер-Булак залегают супесчаные и суглинистые дерново-подзолистые, песчанистые железистые красноокрашенные почвы, песчаные средние и слабые подзолы (Калимуллина, 2002).
В р. Сер-Булак донные отложения представлены среднезернистыми и мелкозернистыми песками.
Дно воронки на участке р. Сер-Булак между озерами Линево и Карасиха в районе дамбы выстилает коричневый мелкопесчанистый ил, на поверхности которого аккумулируется мощный полужидкий слой рыхлых железистых образований в виде легко распадающихся хлопьев. При микроскопическом анализе в иле обнаружены тонкие детритные структуры, мелкие растительные остатки, диатомеи.
Для ручьевого участка р. Сер-Булак характерен коричневый мелкозернистый песок с обильными образованиями гидроксидов железа интенсивных охристых оттенков. Обнаружены локальные участки с коллоидными железистыми скоплениями белесо-желтого цвета, окислительно-восстановительный потенциал которых имеет нулевое значение ^h = 0).
Участок р. Сер-Булак, расположенный в 50 м от истока из оз. Карасиха в направлении к оз. Раифское. Для данного биотопа характерны заросли кубышки, рдеста, элодеи. Поверхность воды покрыта слоем ряски. Дно реки выстилает коричневый мелкозернистый песок, включающий среднезернистые и алевритовые фракции. Ил содержит древесные остатки, осколки ракуши, корневища растений, большое количество листового опада и остатков полуразложившейся водной растительности. Микроскопический анализ показал преобладание минеральных частиц, грубых растительных фрагментов и отсутствие тонкоструктурного детрита.
Для устьевого участка р. Сер-Булак характерны песчанистые отложения, плотно пронизанные корневищами растений. На поверхности грунта формируется мощный слой макрофитного ила, состоящего из остатков полуразложившейся водной растительности, древесных остатков, листового опада. В микроструктуре обнаружены створки диатомовых водорослей, грубый растительный детрит.
Озеро Карасиха. Мелководный участок около уреза воды (глубина 0,1 м) в месте впадения ручья выстилает коричневый заиленный песок, на котором скапливаются рыжие хлопья гидроокисного железа, поступающего в озеро из ручья.
В озере на глубине 3 м формируется черный мягкий ил, включающий фракции мелкого песка с полуразложившимися остатками ряски. В микроструктуре ила обнаружены грубодетритные и тонкодетритные фрагменты.
Общую основу механического состава донных отложений системы р. Сер-Булак -оз. Карасиха составляет фракция среднезернистого и мелкозернистого песка (табл. 1). Для динамичного ручьевого участка р. Сер-Булак характерно значительное присутствие крупнозернистого песка. В воронке р. Сер-Булак и в оз. Карасиха в результате седиментационных и деструктивных процессов в механическом составе грунта происходит накопление мелкодисперсных алевритово-пелитовых фракций.
Таблица 1. Физико-химические характеристики и гранулометрический состав донных отложений р. Сер-Булак и оз. Карасиха в августе 2007 г.
Станция (глубина, м) Т, °С рН ЕЬ гН2 W, % Фракции механического состава,%*
> 1 1 - 0,1 0,1 - 0,01 < 0,01
Река Сер-Булак
Воронка (0,7) 17,5 6,10 -60 11,7 95,0 11,8 40,9 16,1 31,1
Ручьевой участок (0,3) 21,2 6,38 0 0 75,5 10,9 46,5 18,7 23,9
50 м от истока оз. Карасиха (0,8) 19,9 5,90 +120 15,9 81,0 23,1 48,4 16,9 11,8
Устье (0,7) 18,4 5,95 +125 16,2 85,0 29,8 51,7 6,8 11,7
Озеро Карасиха
Зона впадения ручья (0,1) 23,3 6,33 +130 17,1 71,0 0,2 47,7 39,8 12,2
Прибрежье (3,0) 11,0 6,10 +120 16,3 79,6 8,1 36,6 23,1 32,1
Примечание: * - размер частиц механического состава, мм
Таксономическая структура бактериобентоса в р. Сер-Булак и оз. Карасиха.
Структура бактериального сообщества формируется под влиянием условий среды обитания. Нами рассмотрены четыре биотопа системы «р. Сер-Булак - оз. Карасиха» с различными типами донных отложений: 1) р. Сер-Булак-воронка, где залегает коричневый мелкопесчанистый ил с железистыми образованиями; 2) ручьевой участок р. Сер-Булак перед впадением в оз. Карасиха с песчанистыми отложениями, обогащенными гидрооксидами железа; 3) прибрежье оз. Карасиха на глубине 3 м, где залегает черный мягкий ил, содержащий остатки разлагающейся растительности; 4) участок р. Сер-Булак, расположенный на расстоянии 50 м от истока из оз. Карасиха (далее по тексту Сер-Булак - 50м), представленный мелкозернистым песком, обогащенным растительным детритом.
Таксономическая структура бактериобентоса системы «р. Сер-Булак - оз. Карасиха» включает 43 таксона родового и видового рангов. В табл. 2 представлен родовой состав бактериальных сообществ исследованных биотопов.
Таблица 2. Родовой состав бактериальных сообществ в донных отложениях р. Сер-Булак и оз. Карасиха, определенный методом МСММ
р. Сер-Булак - р. Сер-Булак - оз. Карасиха, р. Сер-Булак - 50м
воронка ручей прибрежье, 3 м
Acetobacterium Acetobacter Acetobacter Acetobacter
Aeromonas Acetobacterium Actinomadura Agrobacterium
Bacillus Bacillus Arthrobacter Arthrobacter
Butyrivibrio Butyrivibrio Azospirillum Azospirillum
Pseudomonas Clostridium Bacillus Bacillus subtilis
Desulfovibrio Desulfovibrio Bacteroides Bacteroides
Enterobacteriaceae Enterobacteriaceae Butyrivibrio Burgholderia
Eubacterium Eubacterium Chlamydia Butyrivibrio
FeRed
(Турова,1996)* FeRB Lovley* Clostridium Clostridium
Leptothrix FeRed KM-2 * Nocardia Nocardia
Micrococcus Leptothrix Cytophaga/Flexibacter Cytophaga/Flexibacter
Mycobacterium Micrococcus Desulfovibrio Desulfovibrio
Nitrobacter Mycobacterium Enterobacteriaceae Enterobacteriaceae
Nocardia Nitrobacter Eubacterium Eubacterium
Pseudonocardia Nocardia FeRB Lovley* FeRB Lovley*
Rhodococcus Pseudonocardia FeRed KM-2 * FeRed KM-2 *
FeRed FeRed
Sphaerotilus Rhodococcus (Турова,1996)* (Турова,1996)*
Spirochaeta "M" Sphaerotilus Methylococcus Methylococcus
Staphylococcus Spirochaeta"M" Micrococcus Micrococcus
Xanthomonas - Mycobacterium Nitrobacter
- - Nitrobacter Nocardia
- - Nocardia Propionicum
- - Propionicum Pseudomonas
- - Pseudomonas Pseudonocardia
- - Leptothrix Rhodococcus
- - Pseudonocardia Sphaerotilus
- - Rhodococcus Sphingomonas
- - Sphaerotilus Spirochaeta"M"
- - Sphingomonas Caulobacter
- - Spirochaeta"M" Xanthomonas
- - Caulobacter -
- - Xanthomonas -
Примечание: * - железоредукторы
Обнаружено сходство по числу родов бактериальных сообществ в донных отложениях р. Сер-Булак - воронка и р. Сер-Булак - ручей (20 и 19 родов, соответственно). В илах прибрежья оз. Карасиха и р. Сер-Булак - 50 м в результате обогащения илов органическим веществом растительного происхождения значительно расширяется спектр родового состава бактериального населения, и число родов увеличивается соответственно до 32 и 30. Снижение родового разнообразия бактериобентоса в воронке и ручьевой части р. Сер-Булак почти на 40% по сравнению с оз. Карасиха и р. Сербулак - 50 м может быть обусловлено высоким содержанием гидроксидов железа, интенсивно покрывающих поверхность грунта в виде хлопьев и коллоидных образований и угнетающих развитие отдельных эколого-трофических групп бактериобентоса. 522
В воронке и на ручьевом участке р. Сер-Булак наибольшего развития получили отдельные функциональные группы бактериобентоса: железоредукторы FeRB, (Lovley), FeRed KM-2, железоокисляющие бактерии рр. Sphaerotilus и Leptothrix.
В оз. Карасиха наиболее массовое развитие получили представители рр. Actinomadura, Arthrobacter, Azospirillum, Methylococcus. Доминируют в сообществе рр. Arthrobacter, Butyrivibrio, Propionicum и железоредукторы FeRB Lovley. Активно развиваются по численности бактерии рр. Spirochaeta, Bacillus, Rhodococcus, Micrococcus, Eubacterium, Acetobacter, железобактерия р. Leptothrix (Шерышева, 2016).
Бактериобентосное сообщество песчанистого ила р. Сер-Булак - 50 м характеризуется большим таксономическим сходством с прибрежным сообществом из оз. Карасиха и отличается только несколькими видами. Так, в сообществе песчанистого ила р. Сер-Булак - 50 м исчезли представители рр. Actinomadura, Mycobacterium, железоокисляющая бактерия Leptothrix. При этом развитие получили Burgholderia cepacia и бактерия р. Agrobacterium, которые отсутствовали в бактериобентосных сообществах оз. Карасиха, ручьевого участка и воронки р. Сер-Булак.
Список литературы
Горбунов М.Ю. Вертикальное распределение бактериохлорофиллов в гуммозных озерах В о лжско-Камского заповедника (Республика Татарстан) // Поволжск. экологич. журн. 2011. № 3. С. 280-293.
Дзюбан А. Н., Горленко А.Ю. Оптимизация метода прямого счета бактерий в донных отложениях водоемов // Микробиология. 1989. Т. 58, вып. 5. С. 871-875.
Зайков Б.Д. Очерки по озероведению. Ленинград, 1960. 240 с.
Калимуллина С.Н. История изучения почвенного покрова Волжско-Камского заповедника // Тр. Волжско-Камск. гос. природного заповедника. Вып. 5. Казань 2002. С. 199-213.
Кузнецов С.И., Дубинина Г.А. Методы изучения водных микроорганизмов. М.: Наука, 1989. 288 с.
Кузяхметов Г.Г., Мифтахова А.М., Киреева Н.А., Новоселова Е.И. Практикум по почвоведению. Уч. пос. Уфа, 2004. 120 с.
Романенко В.И. Микробиологические процессы продукции и деструкции органического
вещества во внутренних водоемах. Л. : Наука, 1985. 295 с.
Унковская Е.Н., Мингазова Н.М., Павлова Л.Р. Гидрологическая и гидрохимическая
характеристика водоемов Раифы // Тр. Волжско-Камск. гос. природного заповедника, 2002. Вып. 5. С. 9-36.
Шерышева Н.Г. Типы, гранулометрический состав и водно-физические свойства донных отложений озер Волжско-камского заповедника // Тр. Волжско-Камск. гос. природного биосферного заповедника. Казань, 2016. Вып. 7. С. 41-55.
Шерышева Н.Г. Общая численность и таксономическая структура бактериобентоса озер Волжско-камского заповедника// Тр. Волжско-Камск. гос. природного биосферного заповедника. Казань, 2016. Вып. 7. С. 56-71.
Sherysheva N.G., Osipov G.A., Khalko V.V. Studying composition of bacteriobenthic communities in the sediments of water ecosystems by fatty acid markers // J. Inland Water Biology. 2015. Vol. 8(3). Pp. 242-249.
