История микробиологических исследований северных вод
ВВЕДЕНИЕ
Прибрежные экосистемы важны для сохранения видового разнообразия и поддержания биологической продуктивности океана. При этом прибрежные экосистемы стали зонами наибольшей антропогенной нагрузки, одним из примеров таких экосистем является река Кола и Кольский залив Баренцева моря.
Литораль водных экосистем города Мурманска представляет собой обширный, богатый бактериальным населением биотоп, существующий в условиях жесткого климатического режима и интенсивного антропогенного воздействия. В процессах трансформации органических веществ и естественного очищения экосистемы литорали важную роль играют бактериальные сообщества, особенно гетеротрофная составляющая.
Приоритет в окислении, деструкции и минерализации загрязняющих веществ принадлежит бактериальным сообществам. Их способность к быстрой адаптации в новых условиях, широкий набор ферментных систем позволяют им использовать и преобразовывать различные органические соединения. Располагаясь в начале цепи биологического окисления загрязнителей, микробы разлагают высокотоксичные органические соединения, уменьшают токсичность тяжелых металлов, окисляют до простых соединений нефтяные углеводороды. Таким образом, В морских экосистемах за счет деструкционной деятельности бактерий утилизируется 60–80 % энергии органического вещества (Сорокин, 1977).
Биоценозы на границе воды и суши занимают промежуточное положение между водными и наземными экосистемами. Загрязнение вод, связанное с промышленностью, сельским хозяйством, рыболовством, судоходством, населенными пунктами и береговое пространство, вызывая здесь неумышленно или сознательно производимые изменения.
Микробиота прибрежной зоны обладает быстрой изменчивостью по отношению к колебаниям в водной среде, являясь, таким образом, индикатором антропогенного воздействия.
Актуальность проблемы. Литораль прибрежной зоны города Мурманска является крупной экосистемой, функционирующей в жестких климатических условиях и подвергающейся сильному антропогенному воздействию, отсюда следует, что изучение структуры бактериальных сообществ литорали является важной составляющей в оценке экологического состояния морских акваторий, что позволит в дальнейшем выработать обоснованные меры по обеспечению экологической безопасности региона.
Цели и задачи работы.
Цель исследования – оценить формирование бактериальных сообществ в сравнении на основании микробиологического и биохимического исследования.
1. Исследовать бактериопланктон и бактериобентос учетных точек Кольского залива и реки Колы.
2. Провести анализ распространенности гетеротрофных бактериоценозов воды и грунта.
3. Исследовать влияние опреснения и температуры на гетеротрофное сообщество.
4. Исследовать морфологические свойства бактериальных сообществ.
5. Изучить степень влияния гидрохимических параметров прибрежных вод на гетеротрофную составляющую бактериобентоса литорали Кольского залива.
6. Определить закономерность функционирования гетеротрофного сообщества в водных экосистемах Кольского Заполярья.
Научная новизна работы.В ходе проведенных исследований впервые статистически было оценено влияние биогенного состава на гетеротрофный состав воды и грунта водных экосистем города Мурманска.
Практическая значимость.Результаты исследований могут быть использованы для дальнейших микробиологических мониторинговых наблюдений. Полученные данные расширят и дополнят уже имеющиеся сведения о микробиологическом составе литорали Кольского залива и р. Колы.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
В процессах трансформации органических веществ и естественного очищения экосистемы литорали важную роль играют бактериальные сообщества (Мишустина, 1985).
Микроорганизмы быстро реагируют на изменения условий окружающей среды и могут служить индикатором степени антропогенного воздействия. С участием микроорганизмов водной среды осуществляется важнейший круговорот веществ в водоемах, а, кроме того, эти бактерии способствуют самоочищению водоемов. Бактериобентос выполняет важную роль в двух основных процессах: осуществляет деструкцию органического вещества и трансформацию минеральных соединений, осуществляя таким образом перенос веществ и переход энергии на высшие трофические уровни.
История микробиологических исследований северных вод
Первые микробиологические исследования в акватории северных морей были выполнены в районе острова Медвежий, а также архипелагов Шпицберген и Земля Короля Карла (Палибин, 1904). На основе полученных им результатов был сделан вывод о том, что воды обследованных районов практически лишены бактерий (Levin, 1899).
Позже, в 1909 – 1914 гг., известный русский микробиолог Б. Л. Исаченко из вод Кольского залива и открытых районов Баренцева моря выделил значительное число микробных форм, участвующих в процессах круговоротов азота и углерода (Исаченко, 1914). В 1906 г. Б.Л. Исаченко принимает участие в научной промысловой экспедиции в Баренцево море и в Северный Ледовитый океан (Мишустина, 1985). Тогда были впервые получены данные о присутствии различных физиологических групп микроорганизмов в морской воде и осадках, а также установлено, что бактериопланктон Баренцева моря адаптирован к условиям низких температур и обладает высокой биохимической активностью (Исаченко, 1914). Однако обнаруженное количество бактерий было недостаточным, поскольку методы учета еще не достигали необходимого уровня. Более точные сведения о численности бактерий в водах северных морей были получены В.С. Буткевичем, который, используя метод прямого микроскопического счета, разработанный А.С. Разумовым (1932), установил, что численность бактериопланктона в прибрежной зоне Баренцева моря составляет десятки и сотни тысяч кл/мл, достигая в отдельных случаях 500 тыс. кл/мл (Буткевич, 1932). Впоследствии данный метод был существенно усовершенствован и в таком виде до сих пор используется для определения общей численности, биомассы и продукции бактериопланктона. Работы, проведенные Е.Н. Боковой в Баренцевом, Гренландском и Карском морях показали, что количество бактерий в морях восточного сектора Арктики значительно выше, чем в западном (Бокова, 1937).
Особое внимание морских микробиологов в 40–60-е гг. уделялось микробиологическим исследованиям литорали Баренцева моря. В донных отложениях прибрежной зоны Баренцева моря обнаружено до 200 млн. бактериальных клеток в 1 г сухого грунта, относящихся к группам нитрифицирующих, аммонифицирующих, сульфатредуцирующих бактерий и азотфиксаторов. Выполненные исследования и анализ полученных данных показали, что в грунтах литорали Баренцева моря количество бактерий убывает от поверхности в глубину. (Теплинская, 1990).
К концу 70-х – началу 80-х годов начался следующий этап изучения бактериального населения северных морей, когда, наряду с работами по определению количественных показателей бактерий, появились и сведения о продукционных характеристиках водных микроорганизмов: бактерий: биомассе, времени генерации, суточной продукции.
Исследовалась сезонная динамика численности бактерий Белого моря (Кондрик, Огаркова, 1994), изучалась ферментативная активность гетеротрофных микроорганизмов Баренцева моря (Трунова, 1977, 1979). Определялись численность, биомасса, темпы размножения, суточная продукция бактериальной массы бактериобентоса Белого, Баренцева, Норвежского и Гренландского морей (Харламенко, 1984).
В конце прошлого века В.В. Ильинским (2000) были проведены многолетние исследования роли гетеротрофного бактериопланктона в процессах естественного очищения воды от нефтяных углеводородов в районах Центральной части Арктического бассейна и северной части Карского моря.
В начале XXI века появились работы посвященные микробиологическим исследованиям Кольского залива. Бактериопланктон эстуарных зон Баренцева моря изучала Т.И. Широколобова (2009) в период с 1996 по 2009 г.г. Особый вклад в исследование водных экосистем связан с научно-исследовательскими работами кафедры Мурманского Государственного Технического Университета. Проведен микробиологический мониторинг водных экосистем (Перетрухина, 2002), исследована пространственно-временная изменчивость гетеротрофных бактериальных сообществ воды прибрежной зоны залива (Богданова, 2003), изучено распределение бактериобентоса литорали среднего и южного колен залива (Макаревич, 2004). Отмечены изменения в микробиологических показателях бентосных бактериальных сообществ под воздействием факторов внешней среды. Определена взаимосвязь между размерными характеристиками частиц грунта и численностью бентосных бактериальных сообществ. Установлено, что наибольшая численность бактериальных клеток приурочена к поверхностному слою грунта литорали. Показано влияние антропогенных факторов, в частности нефтяного загрязнения Кольского залива, на численность и структуру микробных ценозов литорали Кольского залива (Перетрухина, 2006). В водах северного и среднего колен Кольского залива установлена стабильно высокая общая численность бактерий (миллионы клеток в 1 мл). Доминирующей группой среди гетеротрофных бактерий были евтрофы, и их количество варьировало от сотен клеток до сотен тысяч клеток в 1 мл воды (Литвинова, 2013).
Характеристика реки Кола
Река Кола берет свой исток из Колозера, протекает с юга на север и впадает в южное колено Кольского залива. Площадь бассейна реки Кола составляет 3,85 тыс. км 2 или же 14% по площади водосбора Кольского залива, в отличие от реки Тулома, которой площадь водосбора колеблется около 78% при площади бассейна 21,5 тыс. км 2. Длина всего бассейна реки Кола составляет около 130 км, из которых на саму реку приходить 75км. Ширина реки варьирует от 25 до 100 метров, глубина колеблется в пределах от 0,5 до 8 метров.
Русло реки умеренно извилистое, не разветвленное, слабо деформирующееся. Берега крутые, местами обрывистые, сложенные супесчаными и суглинистыми грунтами, подвержены оползням. По обоим берегам наблюдается выход грунтовых вод. От Колозера до станции Шонгуй (на протяжении 40 км) река извилистая и имеет на своем пути множество порогов, которые чередуются не большими плесами. Дно на плесах преимущественно песчаное, на порогах – каменистое с крупными выступающими валунами. От станции Шонгуй до станции Молочный на протяжении 16 км река образует сплошное плесо. От станции Молочный до устья реки на протяжении 3 км идут сплошные перекаты.
Верховье реки лежит в болотистой местности, берега средней и нижней части покрыты кустарниками и смешанным лесом.
Весенние половодье начинается в середине апреля – начале мая, заканчивается в июне-июле. Подъем и спад уровня в русле реки происходит интенсивно. Вследствие неравномерности снеготаяния на подъеме выделяют 2–3 гребня высотой 0,2–0,5 м, на спаде половодья наблюдается отдельные повышения, вызываемые дождями. Пики половодья в основном наблюдаются во второй половине мая. Весенний ледоход и очищение ото льда происходит во второй декаде мая. Устойчивая летняя межень бывает только в отдельные годы, когда происходит интенсивный сброс воды их озера Колозера. Осенние дожди (сентябрь-октябрь) вызывают подъем уровня на 0,5-1,3 м. После установления ледостава они резко снижаются и в течение всей зимы вода стоит почти на одной отметке. Замерзание реки Кола на плёсах начинается с образования заберегов. Ледоход осенью бывает редко. Ледостав на плёсах наступает в октябре-ноябре: на порогах река замерзает на 1,5-2 месяца позднее. Озера внутри бассейна составляют 6% от площади, болота 15%. Главным четвертичным отложением является торф.
Поверхностное питание реки осуществляется впадающими реками и многочисленными ручьям. Водность реки не остается постоянной, она варьирует из года в год в зависимости от режима атмосферных осадков, т.е. мало- и многоводные годы, а также существует закономерность количественных изменения стока по сезонам года.
Климат в пределах бассейна реки Кола характеризуется континентальностью (теплое лето, холодная зима) в южной части и прибрежным холодным климатом в северной части (холодное лето, мягкая зима).
Среднегодовая температура воздуха внутри бассейна варьируется от 10С на юге до –30 С на севере. Средняя годовая температура поверхности почвы варьируется от –20 С до +60С. Влажность относительно высокая.
Преобладание направления ветра в пределах бассейна с юга, юго-запада на протяжении зимы. Это направление ветра неблагоприятно для бассейна и очень важно для атмосферного рассеивания загрязняющих веществ от завода в Мончегорске и горной промышленности Оленегорска. Летом преобладает больше северо-западное и северное направление (Отчет некоммерческого партнерства реки Кола, 2002).