Динамика минеральных соединений азота и фосфора в экспериментальных условиях в присутствии Dreissena bugensis

Цель настоящего исследования – оценить влияние D. bugensis на динамику основных биогенных элементов – минеральных форм азота и фосфора в лабораторных условиях. Инкубацию дрейссены проводили в водных системах объемом 11 л в сентябре – октябре 2015 г. при температуре 18 ± 2°С. В качестве культивационной среды использовали природную волжскую воду при постоянном аэрировании в течение всего эксперимента. Исследования проводили в трех вариантах: I – волжская вода, II – волжская вода + соединения аммонийного азота и фосфора в концентрации 1ПДК для рыбохозяйственных водоемов (0,388 мгN/дм³ + 0,15 мгР/дм³), III – волжская вода + соединения аммонийного азота и фосфора в концентрации 10 ПДК. В каждом варианте в качестве контроля использовали аквариум без дрейссены и опытный – с внесением моллюсков в количестве 250 г. В эксперименте использовали экземпляры, выловленные в литоральной зоне Волгоградского водохранилища. Средняя длина особей составила 18,6 ± 0,5 мм, возраст 1–3 года. Длительность эксперимента – 20 суток. Пробы на химический анализ воды отбирали в начале инкубации, а также на 1, 3, 5, 10, 15 и 20 сутки опыта. Оценку качества воды производили по следующим показателям: рН, содержание минеральных форм азота, минерального фосфора, органического вещества по ХПК, перманганатной окисляемости и БПК₅ [5].

Величина рН изменялась во всех вариантах эксперимента в пределах 8,0 – 8,65, при этом значения рН в присутствии дрейссены были несколько ниже. Внесение биогенных элементов на реакцию среды влияния не оказывало.

Содержание органического вещества (ОВ) по трем показателям в течение эксперимента снижалось до минимальных значений на десятые сутки опыта, затем стабилизировалось. Внесение биогенов на концентрации органического вещества влияния не оказывало, как и присутствие дрейссены. В вариантах с моллюсками динамика ОВ характеризовалась такими же значениями, как и в контроле.

На рис. 1 представлены данные эксперимента с дрейссеной в волжской воде без внесения биогенов. Через 2 часа после внесения D. bugensis в воде повысилось содержание всех трех форм азота и фосфора.

Содержание аммония в контроле было невысоким. Уже через сутки эксперимента концентрация N–NH4+снизилась до аналитического нуля (<0,05 мг/дм3). На 3 – 10 сутки наблюдался некоторый подъем аммония, вероятно за счет процесса аммонификации ОВ. В аквариумах с дрейссеной содержание N–NH4+ постепенно снижалось с 0,8 мг/дм3 до аналитического нуля.

Концентрация нитритов изменялась в контроле от 0,003 до 0,088 мг/дм3 с подъемом на 5 сутки одновременно с аммонием. В аквариумах с дрейссеной содержание нитритов было суще- ственно выше: 0,037 – 0,367 мг/дм3. Максимальная концентрация наблюдалась также на 5 сутки. Количество нитратов и фосфатов в контроле было невысоким в течение всего периода исследования. В аквариумах с дрейссеной содержание нитратов и фосфатов существенно увеличивалось на протяжении 20 суток (рис. 1).

Экспериментальные данные с внесением аммонийного азота и фосфора в количестве 1 ПДК представлены на рис. 2.

В контрольных аквариумах к 10-м суткам опыта происходило постепенное снижение содержания аммония до аналитического нуля и возрастание нитритов и нитратов. В последующие 10 суток количество нитритов снизилось до 0,135 – 0,140 мг/дм3, а нитратов увеличилось по сравнению с началом опыта в 2 раза. В аквариумах с дрейссеной концентрация аммония также снижалась до минимума на 10 – 15 сутки, количество нитритного азота в конце эксперимента было ниже контрольного в 3 раза. В присутствии моллюсков концентрация нитратов на 20 сутки

Рис. 1. Динамика аммония (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в аквариумах с волжской водой (контроль) и с волжской водой с внесением дрейссены (вариант I)

Рис. 2. Динамика аммонийного азота (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в опытах с внесением азота и фосфатов в концентрации 1 ПДК (вариант II)

по сравнению с исходным значением увеличилась в 16 раз. Содержание фосфатов в контроле колебалось в пределах 0,062 – 0,17 мг/дм³, в присутствии D. bugensis концентрация P–PO₄^3-постепенно увеличивалась с максимумом на 10 сутки. За экспериментальный период количество фосфатов возросло в 11 раз.

Обращает на себя внимание тот факт, что изменения исследуемых показателей в аквариумах с дрейссеной и без нее как с внесением 1 ПДК азота и фосфора, так и без внесения происходили синхронно: в контрольных сосудах по нитратам r = 0,98 (р=0,0001); в присутствии дрейссены по фосфатам r = 0,98 (р=0,0001), по нитратам – r = 0,99 (р=0,0001). Такие высокие коэффициенты корреляции свидетельствуют об общности происходящих процессов, на которые небольшие концентрации внесенных биогенов влияния не оказывают.

В следующем варианте опыта концентрации внесенных соединений азота и фосфора составили 10 ПДК. Результаты представлены на рис. 3.

В контроле содержание аммония к 10 суткам опыта снизилось в 1,5 раза, а к 15-м – достигло аналитического нуля. Количество нитритов к 10-м суткам существенно увеличилось, достигнув к 20-м суткам максимального значения, превышающего начальное в 40 раз. Концентрация нитратов к 15 суткам увеличилась в 3 раза, затем незначительно снизилась.

В аквариуме с моллюсками содержание аммонийного азота уменьшилось к 5-м суткам в 10 раз. Концентрация нитритов увеличилась также в течение первых суток, а к 15-м достигла первоначального уровня. Количество нитратов в аквариуме с дрейссеной возрастало в течение периода исследования, как и в предыдущих вариантах. В конце эксперимента содержание нитратов было выше исходного в 17,3 раза.

Количество фосфатов в контроле постепенно снижалось и к концу эксперимента достигло 0,12 мг/дм3, что меньше исходного в 11 раз. В аквариумах с дрейссеной содержание элемента колебалось, концентрация P– PO43- на 20-е сутки была меньше начальной лишь в 1,5 раза (рис. 3).

в                                 г

Рис. 3. Динамика аммонийного азота (А), нитритов (Б), нитратов (В) и фосфатов (Г) в опытах с внесением азота и фосфатов в концентрациях 10 ПДК (вариант III)

На рис. 4 показано, что в контрольном варианте при внесении 10 ПДК аммонийного азота его переход в кислородосодержащие формы происходит к 15 суткам, тогда как в присутствии дрейссены скорость процесса нитрификации существенно выше. Уже к 5 суткам концентрация аммония в аквариумах с моллюсками в 19 раз ниже, чем в контроле, а к 10-м снизилась до минимальных значений.

В литературе имеются сведения об экскреции дрейссеной преимущественно аммонийного азота, величина которого сопоставима с внешней биогенной нагрузкой [3]. Как показали результаты наших исследований, основным продуктом азотистого обмена у D. bugensis , являются нитраты. Увеличение содержания нитратов в присутствии дрейссены (рис. 5) описывается следующими уравнениями: в варианте с волжской водой – у = 2,09х - 2,51; внесение 1 ПДК – у = 2,41х - 2,87; внесение 10 ПДК – у = 2,59х - 3,4.

На 20-е сутки в вариантах с внесением аммонийного азота концентрация нитратов тем выше, чем выше вносимая концентрация. Исходя из установленных закономерностей, рассчитали, что 1 г дрейссены в сутки выделяет около 0,03 мг нитратного азота.

Динамика фосфатов в экспериментальных сосудах отличалась от динамики нитратов. В I и II вариантах в контрольных аквариумах (без дрейссены) содержание фосфора в воде колебалось в одних пределах в течение всего эксперимента, а в опытных сосудах с D. bugensis наблюдался синхронный рост содержания P– PO₄^3-, внесение дополнительной концентрации элемента влияния не оказывало (рис. 1, 2). Однако при внесении 10 ПДК фосфатов (III вариант) характер динамики этого соединения менялся: в контроле содержание фосфатов уменьшалось, видимо за счет сорбции на стенках сосудов или поглощения микроорганизмами. Конечная кон-

A

Рис. 4. Соотношение различных форм минерального азота в его суммарном содержании в контроле (А) и аквариумах с дрейссеной (Б) (вариант III)

Рис. 5. Динамика содержания азота нитратов в аквариумах с внесением аммонийного азота в присутствии дрейссены в течение эксперимента

центрация была ниже исходной в 11 раз (рис. 3). В аквариумах с дрейссеной происходили колебания концентрации минерального фосфора и, несмотря на ее некоторое снижение за 20 суток эксперимента, уровень фосфатов был выше, чем в контроле в 8 раз. В первых двух вариантах выделение фосфатов составило в среднем 0,001 мгР/ сут на 1 г дрейссены. В опытах с добавкой 10 ПДК P–PO43- экскреция этого элемента 1 г дрейссены в сутки увеличилась до 0,0018 мг.

Таким образом, по полученным нами результатам, D. bugensis выделяет значительные количества нитратов и фосфатов в водную среду. Внесение аммонийного азота незначительно влияло на концентрацию нитратов, но скорость окисления аммония до нитратов значительно увеличивалась в присутствии дрейссены. Динамика фосфатов при их внесении в экспериментальные сосуды носила более сложный характер. При более высоких концентрациях вносимых соединений динамика фосфатов в опыте и контроле существенно отличалась.

Полученные данные могут послужить основой для приближенного расчета влияния дрейссены на режим биогенных элементов в Волгоградском водохранилище, но для экстраполяции экспериментальных данных на водную экосистему необходимо дальнейшее изучение динамики элементного состава водной среды в присутствии такого вида-эдификатора, как D. bugensis .