Сезонные и межгодовые изменения физико-химических показателей и изотопный состав углерода в озере Белое (Селенгинское среднегорье)

Причиной неустойчивого водного и химического режимов озер является криоаридный климат Забайкалья. На этой территории в засушливые годы большинство водоемов пересыхает и вновь наполняется в водный период. Эти озера относятся к соленым, опресняющимся в период многоводья, с постоянно меняющейся минерализацией озерам [Власов, 1973; Иванов, 1977]. В периоды аридизации и увлажнения климата заметно отличается содержание биогенных элементов, органического вещества и их концентраций. Однако при длительном преобладании процессов испарения над притоком в бессточных водоемах (в течение нескольких лет), ведущих к необратимым химическим и биохимическим реакциям, глубоких изменений химического состава воды не происходит [Самарина и др., 1977]. Сезонные изменения условий среды оказывают воздействие на активность микробных сообществ в озерах.

В бессточных котловинах, где в условиях криоаридного климата преобладают содовые озера, процесс испарения превосходит процесс притока, но это не приводит к необратимым химическим и биохимическим реакциям [Самарина и др., 1977]. Содовые озера с высокими значениями pH и высокой степенью минерализации являются экстремальными водными экосистемами. Такие условия обусловливают развитие специфического алкалофильного микробного сообщества, способного проводить биогеохимические процессы трансформации органического вещества.

Целью исследования являлось изучение влияния сезонных изменений физико-химических параметров среды и изотопного состава углерода d13С на микробную деструкцию органического вещества в донных отложениях оз. Белое. В задачи исследования входили определение сезонных колебаний физико-химических показателей воды; определение численности бактерий — деструкторов органического вещества в донных отложениях; определение сезонной динамики разложения целлюлозы и белка в осадках озера; определение изотопных вариаций d13С в донных отложениях.

Материалы и методы

Объектом исследования являлось озеро Белое, которое расположено вблизи с. Оронгой (Иволгинский район, Республика Бурятия). Северо-восточная оконечность озера покрыта коркой солей и представлена прибрежными солончаковыми почвами. Водное питание озеро получает за счет атмосферных осадков и близко расположенных грунтовых вод. Глубина озера достигает 2 м [Дамбаев, 2004]. Исследования сезонной динамики гидрохимических и микробиологических показателей озера были проведены с 2006 по 2007 г., изотопного состава углерода (d13С) в 2008 г.

В момент отбора проб в воде измеряли следующие показатели: температура, значение рН, минерализация (М) и окислительно-восстановительный потенциал (Еh). Температуру воды измеряли электронным термометром (Hanna), рН — портативным рН-метром (pHep, Hanna), окислительно-восстановительный потенциал — портативным редокс-метром (ORP 200), минерализацию воды — кондуктометром (DIST 2). Органическое вещество донных отложений определяли по методу Тюрина [Воробьева, 1998]. Анионный состав воды в озере определяли согласно методике [Кузнецов, Дубинина, 1989]. Динамику деструкции природных полимеров в донных отложениях определяли аппликационным методом [Гельцер, 1986; Гельцер, 1990]. Пластинки с соответствующими субстратами размещали в поверхностном слое (5 см) донных осадков. Учет численности аэробных и анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий и сапрофитов проводили методом предельных разведений. Численность сульфатредуцирующих бактерий определяли на среде Видделя [Романенко, Кузнецов, 1974].

Характеристика изотопного состава d¹³С донных отложений. Подавляющее большинство всего природного углерода представлено изотопом 12С. Почти 99 % всего углерода находится в этой форме. Только около 1 % углерода представлено изотопом 13C. Изотопный состав углерода измеряется в углекислом газе методом масс-спектрометрии изотопных отношений (IRMS). Образец CO₂ получают из природных материалов с использованием различных методов экстракции. Карбонаты реагируют с более чем 100 % H₃PO₄ при заданной температуре от 25 до 100 °C. Органический углерод обрабатывается CuO или O₂ в качестве окислителя. Количество ¹³C/¹²C карбонатов и органического вещества в донных отложениях представлено в виде d¹³С в образце и стандарте PDB [Зякун, Дилли, 2011].

Результаты и обсуждение

Сезонные изменения физико-химических показателей среды и численность микроорганизмов — деструкторов органического вещества. В разные сезоны года происходило изменение физико-химических параметров воды и донных отложений. Температура воды в озере в летний период достигала +23 °C, а зимой опускалась до 0 °C. Значение рН воды в интервале 8,3–9,21. Минерализация воды увеличивалась в осенне-зимний период до 3,4 г/л. Летом наблюдался спад минерализации до 1,2 г/л. Показание окислительно-восстановительного потенциала воды зависело от условий окружающей среды и варьировало от +129 до +314 мВ (табл. 1).

Исследование анионного состава выявило преобладание сульфатов и гидрокарбонатов в воде. Содержание сульфатов доходило до 1,13 г/л, а гидрокарбонатов — до 769 мг/л. Концентрация хлоридов была небольшой — 370 мг/л. В зимний период происходило снижение содержания хлоридов до 257 мг/л. Наблюдалось также снижение количества сульфатов и гидрокарбонатов в воде до 561 мг/л и 415,1 мг/л соответственно. Минимальное значение минерализации, содержания карбонатов и гидрокарбонатов было отмечено в июне, а максимальное в ноябре.

Весной в озере концентрация солей уменьшается, минерализация идет на спад в результате таяния снега и льда. Летом в условиях криоаридного климата характерно выпадение небольших атмосферных осадков. Лишь во второй половине лета наблюдаются обильные осадки с дальнейшим понижением температуры воздуха.

В Забайкалье в весенне-летний период количество осадков достигает 25 %. На конец июля и август приходится до 55 % осадков. В осенне-зимнее время количество осадков не превышает 20 % [Мизандронцева, 1976].

Таблица 1

Дата отбора проб	pH	T, ºС воздуха	T, ºС воды	Т, ºС ила	ОВП, мВ	M, г/л	Толщина льда, см	CO32-, мг/л	HCO3-, мг/л
10.11.06	9,1	-11,4	+0,3	+2,1	+234	1,6	21	н.о	769
23.11.06	8,96	-18,9	+0,1	+1,8	+201	2,1	23	н.о	384,3
06.12.06	8,81	-21,7	+1,6	+2,4	+202	2	30	н.о	414,9
27.02.07	8,5	-11,4	0	н.д.	+248	2,2	43	н.о	586,7
17.04.07	8,3	+6,0	+4,6	+4,2	+129	1,8	1,5	н.о	160,8
11.05.07	9,13	+10,1	+8,4	+9,2	+178	1,72	–	36	91,5
22.06.07	8,8	+26,4	+23,2	+20,7	+257	1,2	–	15	9,15
20.07.07	8,9	+20,5	+22	+20,3	+194	1,84	–	3,84	9,76
17.08.07	8,91	+24,0	+19,3	+19,4	+219	1,9	м	48	24,4
27.09.07	9,21	+8,7	+6,9	+7,1	+218	1,98	–	168	780,8
31.10.07	8,87	-0,7	+0,9	+4	+314	3,15	10	132	890,6
08.11.07	9,07	-2,5	+0,1	+0,2	+249	3,4	13	168	841,8
23.11.07	9,02	-14,1	+0,2	+0,3	+205	2,16	29	132	963,8

«н. о» — не определено.

Физико-химические параметры озера Белое

В донных отложениях широко распространены микроорганизмы, которые активно участвуют в синтезе и деструкции органического вещества. Определена численность различных физиологических групп микроорганизмов — деструкторов органического вещества.

Основную роль в круговороте углерода играют целлюлозоразлагающие и протеолитические бактерии, так как растительные остатки содержат до 50 % целлюлозы. Целлюлоза является распространенным органическим полимером из всех биомолекул в биосфере. Животные ткани и их остатки содержат до 80 % белка. В разные сезоны года была определена численность аэробных и анаэробных целлюлозоразлагающих, протеолитических и сульфатредуцирующих бактерий (табл. 2). Численность аэробных протеолитических бактерий была больше численности аэробных целлюлозоразлагающих бактерий на один-два порядка и достигала 107 кл/см3. Максимальное количество анаэробных целлюлозоразлагающих и протеолитических бактерий достигала 106 кл/см3 и 107 кл/см3. Преобладание протеолитических бактерий, вероятно, обусловлено доступностью белковых субстратов и их легкой утилизацией. Количество сульфатредуцирующих бактерий составляло от 102 до 104 кл/см3.

Активность микробного сообщества напрямую зависит от количества органического углерода (Сорг), который служит субстратом для гетеротрофных микроорганизмов, участвующих в разложении автохтонного и аллохтонного органического вещества. Количество Сорг в разные сезоны года варьировало от 0,92 до 1,34 % (рис. 1).

Таблица 2

Озеро Белое	Целлюлолитики		Протеолитики		Сульфатредукторы
Дата отбора проб	Аэробы	Анаэробы	Аэробы	Анаэробы
10.11.06	104	104	106	104	103
23.11.06	103	105	106	106	103
06.12.06	104	104	107	106	103
27.02.07	103	104	106	106	102
17.04.07	103	105	105	106	103
11.05.07	104	105	106	106	102
22.06.07	105	106	106	107	103
20.07.07	106	106	107	107	104
17.08.07	105	106	105	106	103

Определена целлюлолитическая и протеолитическая активность in vitro в донных отложениях. В разные месяцы года скорость деструкции целлюлозы и белка носит неравномерный характер (рис. 2). Скорость деструкции целлюлозы в донных отложениях варьировала от 0,28 до 0,48 % в сутки. Оценка скорости минерализации белка с помощью аппликационного метода выявила высокие значения от 2,4 до 3,25 % в сутки. Минимальные значения деструкции природных полимеров отмечены в ноябре, а высокие в сентябре.

Рис. 2. Динамика деструкции целлюлозы и белка в донных отложениях озера Белое

Наиболее интенсивно микробные процессы протекают в середине — конце весны и конце лета — середине осени, когда условия окружающей среды являются наиболее благоприятными для развития и деятельности микробного сообщества. В содовом озере Белое при температурах от +0,2 до +20,7 °C активно протекает деструкция органического вещества различными группами гетеротрофных микроорганизмов.

Изотопный состав углерода (d¹³С) в донных отложениях. Большое содержание органического вещества выявлено в феврале и июле (табл. 3). Содержание органического вещества подвержено сезонным колебаниям, варьируя от 1,88 до 25,5 % на минеральную часть навески.

Обнаружено различие в изотопном составе d13Сорг. Период всплеска d13Сорг в донных отложениях был отмечен в апреле и июле 2008 г., что составляло -16,60 и -19,48 ‰ соответственно. Значения d13Скарб не были подвержены колебаниям и находились в пределах от -10,29 до -12,45 ‰ соответственно.

По Лондри и Дес Марэис [2003], сульфатредуцирующие бактерии D. acetoxi-dans используют ацетат в качестве единственного источника энергии и углерода. Они способны полностью окислять субстраты до углекислого газа с сульфатом в качестве акцептора электронов, который восстанавливается до сероводорода, при этом увеличивая d¹³С метаболизированный ацетат на 8–9 ‰. Отмечен факт увеличения d¹³С_орг в донных осадках на 8–9 ‰. Можно предположить, что случаи с утяжелением d¹³С_орг в донных отложениях объясняются влиянием сульфатреду-цирующих бактерий D. acetoxidans .

При этом периоды утяжеления d13Сорг в донных отложениях были близки к периодам нарастания концентраций SO42- и численности клеток сульфатреду-цирующих бактерий [Дамбаев и др., 2004]. Что касается изотопно-легкой углекислоты, продуцируемой сульфатредуцирующими бактериями, то она, вероятно, вовлекается в фотосинтез, образующий изотопно-облегченное органическое вещество. Об этом свидетельствуют периоды снижения содержания карбонатов в донных отложениях с 19,2 до 18,1 % в течение весенне-летнего сезона. Показатели d13Скарб в донных отложениях изменялись незначительно. Остальная часть изотопно-легкого органического вещества, содержащегося в донных отложениях, аллохтонная и усреднена по d13С.

Таблица 3

Содержание и изотопный состав углерода δ ¹³С в донных отложениях оз. Белое

Дата отбора проб	Содержание карбонатов, в % на воздушно-сухую навеску	Содержание ОВ, в % на минеральную часть навески	δ 13С , карб в ‰	δ 13С ОВ, в ‰
27.02.08	52,3	25,55	-11,67	-30,12
10.04.08	26,06	10,84	-11,28	-16,60
29.05.08	19,2	2,17	-10,77	-30,36
30.06.08	27,8	7,25	-12,45	-23,73
16.07.08	39,5	29,03	-12,05	-19,48
25.09.08	18,08	1,88	-10,29	-28,65

Основными физико-химическими параметрами, влияющими на активность и распространение бактерий — деструкторов органического вещества, являются температура, концентрация и состав органического вещества, минерализация и Eh. Можно предположить, что выявленные в донных отложениях озера Белое закономерности сезонного взаимодействия между изменениями условий среды и микробными процессами деструкции органического вещества могут быть в той или иной степени применимы для других схожих экосистем. Таким образом, проведенные исследования влияния сезонной динамики физикохимических условий на микробные сообщества донных отложений оз. Белое показали активное развитие специфического алкалофильного микробного сообщества, способного проводить биогеохимические процессы трансформации органического вещества.