Biotic and abiotic components in the system “watercourse and its catchment” of the small Polezhayevka River (the Amur River basin)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В Российской Федерации насчитывается 2.5 млн малых рек и ручьев. На их долю приходится ~ 50% речного стока в среднем по стране. На берегах малых рек проживает значительная часть населения России. Долины малых рек на урбанизированных территориях обладают высоким рекреационным потенциалом, однако в связи с их загрязнением это проблемные элементы городского ландшафта.

Существует мнение, что в ближайшие годы большая часть загрязняющих веществ будет поступать в поверхностные воды не от стационарных точечных источников, а с диффузным стоком в результате смыва с поверхности водоразделов и с территорий крупных городов с ливневым стоком [24, 30, 36, 38]. Поверхностные стоки способны внести в водные объекты до 99% загрязнений. Из общего количества загрязняющих веществ городских сточных вод на долю поверхностного стока в настоящее время приходится ~ 78% взвешенных веществ, 20% органических веществ (ОВ) (по БПК) и 68% нефтепродуктов [9].

Интерес к проблеме загрязнения малых рек возник в 1970–1980-е гг. в связи с необходимостью принятия кардинальных мер по снижению уровня экологической деградации водотоков городских агломераций. Поэтому исследованию донных отложений (ДО) рек и почв их водосборов стало уделяться большое внимание [2, 12, 19, 44].

Малые реки г. Хабаровска в достаточной мере охвачены традиционными гидрохимическими наблюдениями [32, 33]. Уровни загрязненности их вод характеризовались в разные годы как умеренно загрязненные, загрязненные и грязные (3-й, 4-й и 5-й классы качества). Однако в связи с необходимостью прогноза экологических последствий загрязнения водосборов рек урбанизированных территорий большое значение приобретают работы, посвященные исследованию загрязнения поллютантами органического происхождения [17, 18, 35].

В процессах формирования ОВ в ДО и почвах участвуют многие группы организмов – микроводоросли, водная и наземная растительность, простейшие, насекомые. Особая роль принадлежит микробным сообществам, поскольку микроорганизмы могут одновременно как синтезировать ОВ в виде своей биомассы, так и участвовать в процессах трансформации и деструкции широкого спектра природных и антропогенных органических соединений. Преобразование качественной структуры ОВ во многом определяет физико-химические условия в воде, ДО и почве, направленность и интенсивность проявления в ней различных геохимических, биохимических и физических процессов.

Наиболее распространенными поллютантами окружающей среды являются углеводороды (УВ), в частности нефтепродукты. В последние годы изменилось представление о данных соединениях, как имеющих исключительно антропогенное происхождение. Согласно современным представлениям, УВ – необходимый компонент биогеохимического цикла углерода, так как служат транзитной формой на пути от источников фотосинтеза (микроводорослей, водной и наземной растительности) в ДО и почву [4, 16]. Кроме антропогенных УВ, поступающих при загрязнении нефтепродуктами, в ДО и почвах могут присутствовать УВ, образовавшиеся в ходе биогеохимических превращений. Их источниками могут быть высокомолекулярные предшественники, встречающиеся в живых организмах: каротиноиды, жирные кислоты, воски высших растений, а также бактериальная биомасса и продукты микробиологической деструкции. С учетом свойств устойчивости алифатических УВ (н-алканов) в процессах седиментогенеза и раннего диагенеза можно по групповому составу, содержанию и соотношению молекулярных компонентов указать преобладающий тип ОВ [20, 16, 40].

Обычно при исследовании экологического состояния водного объекта оценивается содержание различных органических и минеральных компонентов в воде и ДО [34]. Состояние почв прибрежных территорий при этом не учитывается, хотя пойменные почвы являются прямыми результатами исторических русловых процессов и наследуют многие черты ДО. Особенно взаимное влияние процессов, протекающих в ДО и почвах, прослеживается на водосборах малых рек, подверженных частым паводкам и наводнениям [3]. Поэтому рассматривать экологическое состояние малых водных объектов необходимо совместно с анализом состояния почв водосбора, что отвечает принципам экосистемного подхода, позволяющего диагностировать состояния природной среды речного бассейна с оценкой возможности реабилитации (рекультивации) водосборов городских рек. Для принятия технических решений по ревитализации водосборов городских рек требуется комплексное изучение признаков, характеризующих качественное их состояние, потенциальной возможности экосистем к самоочищению в условиях техногенного воздействия.

Обзор современных требований законодательства Российской Федерации в части охраны окружающей среды выявил необходимость проведения мероприятий по рекультивации не только земель, но и потребность в “рекультивации водных объектов”. В настоящее время в Центральной Европе успешно реализованы программы по ревитализации водосборов малых рек – REURIS (Revitalisation of Urban River Spaces), а в Великобритании проект RRC (River, Restoration Centr). В рамках этих проектов выбираются небольшие (до сотен метров) отрезки реки либо фрагменты речной долины [41], служащие экологическими коридорами, поддерживающими целостность биосферы на локальном и региональном уровне. В России также существуют примеры рациональной и эффективной реабилитации малых городских рек для рекреационных целей, в частности некоторых малых рек Москвы. При создании программ по ревитализации водосборов урбанизированных территорий необходимо учитывать специфику конкретной географической зоны и их современное экологическое состояние.

Цель данной работы – исследование распределения биотических (фитопигменты, микробные сообщества) и абиотических (С_орг, УВ, н-алканы) компонентов в воде, ДО и почве системы “водоток и его водосбор”.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Схема района исследования представлена на рис. 1. Река Полежаевка берет начало в оврагах северо-восточной части Хабаровска и, протекая в юго-восточном направлении, сливается с р. Гнилая Падь в 2 км от ее впадения в р. Черную. Общая протяженность водотока составляет < 10 км, ширина русла 1.0–1.5 м. Площадь водосбора р. Полежаевки составляет 6.4 км². На всем протяжении водоток заилен, берега покрыты разнотравьем. Природный микрорельеф района исследования изменен в результате сельскохозяйственного и мелиоративного освоения. Ранее, в 1960-е гг., южнее с. Тополево для полива теплиц была оборудована сеть мелиоративных канав, проложенных из запруженного дамбой пруда на р. Полежаевке. В настоящее время дамба разрушена, пруд и его стоки деградированы, заросли травянисто-кустарниковой растительностью. Основное русло реки на месте пруда приурочено к его правобережной части. После пруда русло нижнего течения реки искусственное, выпрямленное. Кроме этого, в нижний участок реки (т. 4) со стороны с. Тополево производится неконтролируемый сброс коммунальных стоков. Большинство земель уже не используются для сельскохозяйственного назначения.

 

Рис. 1. Картосхема района исследований.

 

Исследования воды, ДО и почвы проводили в период летней межени в первой декаде июня 2019 г. Пробы речной воды отбирались с глубины ~10 см. Пробы ДО отбирали пробоотборником (буром) “Burkle” из слоя 0–10 см. Определение рН, минерализации (М) и удельной электропроводности (УЭП) воды и водной вытяжки из ДО и почвы (соотношение 1 : 5) проводили с помощью измерителя комбинированного “Seven Multi S-47k”, “Mettler-Toledo” (Швейцария). Концентрацию органического углерода С_орг в ДО и почве определяли фотометрическим методом после окисления ОВ осадка сульфохромной смесью на спектрофотометре “Shimadzu UV-1650 PC” (Япония). Определение массовой доли УВ выполняли согласно ПНДФ 16.1:2.2.22-98 [22]. Измерение концентрации УВ осуществляли на ИК-спектрофотометре “КН-2М” (Россия). Элюаты четыреххлористого углерода использовали для хроматографического анализа молекулярного состава н-алканов, который осуществляли методом капиллярной газовой хроматографии на газовом хроматографе “Кристалл 5000.1” (“Хроматэк”, Россия), оснащенном пламенно-ионизационным детектором при программировании температуры от 60 до 320°С со скоростью 7° мин (длина колонки 30 м, жидкая фаза ZB-5), точность определения ±5%. Массовую долю летучих фенолов определяли согласно ПНДФ 16.1:2.3:3.44-05 [23] с помощью спектрофотометра “В-1200”, “Shanghai Instruments Co., Ltd” (Китай). Фотосинтетические пигменты в ДО и почве определяли по ГОСТу 17.1.4.02-90 [6] в вариации применительно к определению растительных пигментов в ДО и почве [10], концентрацию определяли на спектрофотометре “Shimadzu” “UVmini-1240” (Япония). Рассматривая пигменты как источник ОВ, в том числе УВ, для оценки концентрации С_орг пигментированных клеток использовали соотношение (мг С/г) ≈ 100 × Хл а, где Хл а – концентрация (мг/г) хлорофилла в осадках [14]. Хроматографические анализы осуществляли в ЦКП ИВЭП ДВО РАН “Центр экологического мониторинга” (аналитик Г.М. Филиппова).

Поскольку исследовались разные объекты – вода, ДО и почва, то использовались общие для микробного сообщества показатели – численность гетеротрофных (ГБ), нефтеокисляющих (НОБ) бактерий и их соотношение, а также характерные для почвы показатели численности актиномицетов и микромицетов. Микробиологические анализы воды, ДО и почвы проводили согласно общепринятым в почвенной и водной микробиологии методам, результаты выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) [25].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Вода

Показатель рН варьировал незначительно – от 7.66 до 7.93 с выраженной тенденцией увеличения от верхнего к нижним створам (табл. 1). Содержание сухого остатка после прокаливания, напротив, снижалось, как и величина минерализации. Соответствующим образом изменялась и величина УЭП. В воде нижнего створа 4В выявлено незначительное превышение содержания фенолов, содержание нефтепродуктов здесь составило 3.6 ПДК. По микробиологической оценке с использованием группы сапрофитных бактерий (СБ), согласно ГОСТу 17.1.3.07-82 [5], вода во всех створах реки соответствует IV классу качества – “загрязненная”.

 

Таблица 1. Оценка качества воды р. Полежаевки

Показатели	Единица измерения	1В	2В	3В	4В	Норматив*
pH	Единицы рН	7.66	7.83	7.83	7.93	–
Сухой остаток, 105℃	мг/дм3	390	283	277	263	1000
Минерализация	мг/ дм3	197.7	160.5	160.3	144.5	–
УЭП	мкС/см	396	321	320	289	–
Фенолы летучие, сумма	мг/дм3	<0.0005	<0.0005	<0.0005	0.0011	0.001
Нефтепродукты	мг/дм3	0.03	0.03	0.03	0.18	0.05
СБ**	тыс. КОЕ/мл	19.07	2.34	10.30	18.47	1000

* СанПиН 1.2.3685-21 [27].

** ГОСТ 17.1.3.07-82 [5].

 

Донные отложения и почва

рН водной вытяжки из ДО была нейтральной – от 6.02 до 6.54 (табл. 2). Интегральный показатель – УЭП менялся от 85.6 до 111.2 мкС/см при максимальной величине в образце ила 1Д. Содержание С_орг менялось от 4.04 до 9.09% при минимальном содержании в осадках 4Д и максимальном в ДО станции 2Д, что, вероятно, обусловлено высокой способностью глинистой фракции к сорбции ОВ. Содержание УВ варьировало в пределах одного порядка – от 39.9 до 162.4 мг/кг при максимальном содержании в осадках нижнего створа 4Д. Доля углерода, входящего в состав УВ, (С_УВ) в общем содержании С_орг варьировало от 0.04 до 0.4%, что указывает на разные источники их поступления в ДО. Условной границей допустимой перегрузки (Р) принята величина С_УВ/С_орг = 0.26%, а высокой перегрузки – величина Р > 0.5% [13], т. е. по содержанию УВ исследованные ДО находятся в границах допустимой углеводородной перегрузки. Однако в осадках нижнего участка течения реки, где в ДО аккумулировано максимальное количество УВ, величина Р приближается к величине “высокой перегрузки” УВ.

 

Таблица 2. Характеристика ДО и почв

Образец	Описание образца в естественном состоянии	Водная вытяжка		Сухой образец		СУВ* от Сорг, %
		рН, ед.	УЭП, мС/см	Сорг, %	УВ, мг/кг
ДО
1Д	Серый ил с запахом сероводорода	6.02	111.2	5.35	54.1	0.10
2Д	Глина с песком и мелкой галькой	6.22	85.7	9.09	39.3	0.04
3Д	Песок с мелкой галькой и илом	6.41	85.6	5.12	65.1	0.13
4Д	Песок с илом и глиной	6.54	99.7	4.04	162.4	0.40
Почва
1П	Сырой, коричневый, пастообразный, глинистый с корнями растительности	6.54	81.2	8.20	171.1	0.21
2П	Обводненный, песчано-глинистый с корнями растительности	6.59	96.7	6.44	123.2	0.19
3П	Влажный, рассыпчатый, коричневый, комковатый, глинистый	6.48	84.0	7.77	143.2	0.18
4П	Сырой, пастообразный, коричневый со светлыми глинистыми включениями	6.74	91.0	4.76	50.6	0.11

* Для пересчета содержания УВ на С_УВ использовали коэффициент 0.867.

 

Величина рН водной вытяжки из почвы незначительно варьировала в границах нейтральной от 6.48–6.74 (табл. 2). Величина УЭП также мало менялась и составляла 81.2–96.7 мкС/см. Содержание С_орг колебалось от 4.76 в образце 4П до 8.2% в образце 1П при среднем значении 6.79%. Максимальное содержание УВ выявлено в образце 3П, минимальное в 4П. В целом содержание НП в исследованной почве было выше (121.8 мг/кг), чем в ДО реки, где данная величина составляла 80 мг/кг. Следует отметить, что проблема ПДК по нефтяным УВ как для почв, так и для ДО практически не решена. Поэтому предложено оценивать степень нефтяного загрязнения почв по превышению содержания нефтепродуктов над фоновым значением в конкретном районе и на конкретной территории [26]. При этом, в частности, указано, что для районов, не ведущих добычу нефти, фоновое содержание нефтяных УВ в почве составляет 40 мг/кг, а для нефтедобывающих районов – 100 мг/кг. При допущении, что на урбанизированных территориях нефтяные УВ – приоритетные виды загрязнения, за фоновые значения авторы статьи приняли содержания нефтяных УВ 100 мг/кг. По данной градации превышение фонового значения в отдельных образцах почвы составляет от 1.2 до 1.7 раз, а в единичном случае в ДО в 1.6 раз. Доля углерода УВ (С_УВ) в общем содержании С_орг в почве была невелика (0.11–0.21%) и в среднем была ниже, чем в ДО, что также ниже уровня допустимой перегрузки.

Сравнительная оценка уровня углеводородного загрязнения почв и ДО р. Полежаевки и других малых рек на территории Хабаровска (Лесопилка, Чердымовка, Курча-Мурча) [2, 12] показала, что в ДО р. Полежаевки даже максимальное (162.4 мг/кг) количество УВ значительно ниже, чем в ДО указанных водных объектов, где содержание УВ составляло от 5070 до 22540 мг/кг. Такая же картина наблюдалась и для почвы р. Полежаевки, где не только среднее, но выявленное максимальное содержание (171.1 мг/кг) было ниже на 2 порядка, чем в почвах водосбора р. Курча-Мурча.

Фитопигменты в донных отложениях и почвах

Формирование состава ОВ определяется многими факторами, в том числе количественным и качественным составом первичных продуцентов, который проявляется в пигментном составе ДО и почвы. Кроме микроводорослей, обитающих непосредственно в воде, ДО или почвах, определенный вклад в состав и содержание фитопигментов вносит низшая и высшая растительность. В ДО это может быть отмершая водная и околоводная растительность, листовой опад. В подстилке почвы также накапливается биомасса низшей растительности и сосудистых растений.

Распределение фитопигментов в осадках по продольному профилю реки было неравномерным (табл. 3), их общее содержание в ДО р. Полежаевки варьировало от 15.8 до 57.9 мкг/г. Максимальное количество выявлено в образце 2Д, минимальное – в осадках 3Д. Среди хлорофиллов во всех случаях доминировал Хл а, его среднее количество в ДО составляло 8.9 мкг/г. Концентрация Хл b варьировала от 1.1 до 6.5 мкг/г, ее среднее значение в осадках было в 3.2 раза ниже, чем Хл а. Содержание Хл с занимало промежуточное положение и было в 2 раза ниже, чем Хл а. Во всех случаях в составе пигментов доминировали каротиноиды. Их максимальное содержание выявлено в образце 2Д верхнего участка реки, здесь же отмечались максимальные концентрации остальных пигментов.

 

Таблица 3. Содержание пигментов в ДО и почве (мкг/г)

Образец	Хл а	Хл b	Хл с	Каротиноиды	∑пигм	СХл а / Сорг, %
ДО
1Д	10.8	2.4	5.4	20.8	39.4	2.03
2Д	13.9	6.5	6.4	31.1	57.9	1.54
3Д	3.1	1.1	1.9	9.8	15.8	0.61
4Д	7.8	1.3	3.5	13.9	26.5	1.93
Среднее	8.9	2.8	4.3	18.9	34.9	1.53
Почва
1П	3.1	1.1	1.9	14.0	20.1	0.37
2П	5.9	5.0	2.7	13.8	27.4	0.92
3П	4.3	5.1	9.9	21.2	40.6	0.55
4П	2.8	3.2	7.7	15.3	29.1	0.59
Среднее	4.0	3.6	5.6	16.1	29.3	0.61

 

Вклад первичной продукции в содержание С_орг в осадках, рассчитанный по содержанию Хл а, был невысоким и колебался по течению реки от 0.61 до 2.03%, что обусловлено различиями гидрологических условий для синтеза первичной продукции бентосным сообществом и типом ДО.

В почве среднее суммарное содержание фитопигментов было несколько ниже, чем в ДО. Среднее содержание основного пигмента фотосинтеза – Хл а в почве было в 2 раза ниже, чем в ДО, а таковое Хл b и Хл с было несколько выше. Так же, как и в осадках, в составе пигментов в почве доминировали каротиноиды. Доля углерода первичной продукции в общем содержании С_орг также была невелика (0.37–0.92%) и в целом была в 2 раза ниже, чем в ДО.

Сравнительная оценка содержания фитопигментов в ДО и почве водосбора реки показала (рис. 2), что вклад Хл а в пигментный состав ДО составлял 20–30, Хл b 5–10, Хл с 10–15% от суммы пигментов, а доля каротиноидов составляла 50–60%. В почве роль Хл а в содержании фитопигментов была ниже, чем в ДО, и незначительно варьировала – от 10 до 20%. При этом возрастал вклад Хл b и Хл с, доля которых возрастала до 20 и 30% соответственно, каротиноиды также занимали ведущую роль в пигментном составе – от 50 до 70% от суммы пигментов.

 

Рис. 2. Процентное содержание пигментов в ДО и почве системы “водоток и его водосбор”.

 

Известно, что разные классы водорослей различаются по составу фотосинтетических пигментов. Так, водоросли классов Chlorophyceae и Euglenophyceae содержат Хл a и Хл b и в качестве вспомогательных пигментов – каротиноиды. У представителей Dinophyceae, Chrysophyceae, Bacillariophyceae, Xanthophyceae, Phaeophyceae и у некоторых представителей Rhodophyceae вспомогательными пигментами к Хл а служат Хл с и Хл d [1]. Таким образом, изучение количественных соотношений между различными пигментами дает возможность судить о преобладании той или иной группы водорослей.

В образце осадков 1Д отмечено некоторое превышение отношения Хл b / Хл а к отношению Хл c / Хл a (табл. 4), что свидетельствует о том, что на данном участке реки в ДО преобладают зеленые и синезеленые водоросли. В остальных образцах ДО в бентосном сообществе доминировали диатомовые водоросли – отношение Хл c / Хл a превышало таковое Хл b / Хл а. Хотя в составе хлорофиллов на всех створах реки преобладал Хл а, соотношение кар / Хл а, характеризующее относительно низкую физиологическую активность водорослевого сообщества, во всех случаях было высоким (1.92–5.13). Вероятно, это связано с поступлением в осадки отмершей наземной и околоводной растительности, что наиболее заметно на застойном участке нижнего течения реки (3Д), где величина соотношения кар / Хл а была почти в 3 раза выше, чем в верхнем течении р. Полежаевки (1Д). Хл b характерен для наземной растительности, его минимальная доля (1.6%) выявлена в образцах осадка 2Д, на остальных створах составляла 5.05–6.65% суммы пигментов, т. е. его распределение не носило выраженной закономерности и, вероятно, зависело от поступления в ДО отмершей наземной растительности. Известно, что в процессе преобразования первичной продукции хлорофиллы подвергаются разрушению, и с увеличением степени разложения их количество снижается и увеличивается содержание более устойчивых – каротиноидов [28]. Этот процесс выявляется и с помощью пигментного индекса (ПИ), рассчитываемого как отношение (D₄₃₀ : D₆₆₃). Так, наибольшие величины ПИ соответствуют максимумам отношения кар / Хл а (табл. 4). Следует отметить, что в восстановительных условиях ДО каротиноиды накапливаются и консервируются, являясь материалом для синтеза УВ, в частности длинноцепочечных н-алканов С₄₀.

 

Таблица 4. Соотношения между фотосинтетическими пигментами в ДО и почвах

Образец	Хл b/ Хл а	Хл c/ Хл a	Хл b/ Хл c	кар / Хл а	ПИ
ДО
1Д	0.21	0.5	0.44	1.92	4.71
2Д	0.46	0.46	1.01	2.23	6.22
3Д	0.34	0.61	0.56	5.13	7.00
4Д	0.17	0.45	0.38	3.41	5.20
Почва
1П	0.34	0.62	0.55	4.53	12.50
2П	0.85	0.46	1.84	2.35	6.50
3П	1.18	2.30	0.52	4.90	9.33
4П	1.14	2.70	0.42	5.40	9.00

 

Судя по пигментным характеристикам, можно сказать, что состав продуцентов в почве отличался от такового бентосного сообщества: в почве было несколько выше среднее содержание Хл b и Хл с. В сообществе продуцентов образцов почвы 3П и 4П преобладали диатомовые водоросли (Хл c / Хл a > Хл b / Хл а) (табл. 2), вклад “свежей” наземной растительности был заметен только в почве участка 2П (Хл b / Хл c > Хл c / Хл a). На накопление в почве каротиноидов указывают высокие значения отношения кар / Хл а (2.35–5.40) и ПИ (6.5–12.5).

Как в почве, так и в ДО прямой связи между С_орг и отдельными пигментами не выявлено, что, вероятнее всего, обусловлено высокой степенью преобразования растительного материала в поверхностном слое ДО и почвы. Прямая зависимость между концентрациями С_орг в осадках и фитопигментов характерна для крупных водных экостем (морей и озер), где ОВ образуется в основном за счет деятельности автохтонных фитопланктонных и фитобентосных сообществ [7, 29, 31] и где доля аллохтонной растительности невелика. Вероятно, для экосистем малых рек такая закономерность не имеет выраженного характера, поскольку как в ДО, так и в почву кроме автохтонного ОВ, поступает уже частично преобразованное аллохтонное ОВ (листовой опад, травяной отпад) количество которого сопоставимо с продукцией автохтонного сообщества или превышает его.

Микробные сообщества воды, ДО и почвы

Численность отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов и их соотношение в исследуемом объекте позволяет судить о трофическом статусе объекта, в том числе о степени антропогенного воздействия, поскольку микроорганизмы гораздо быстрее, чем другие компоненты биоценозов, реагируют на внешние воздействия. Эта реакция проявляется в изменении численности отдельных групп микроорганизмов в сообществе.

Общая численность ГБ в воде составляла от 93.3 до 325.3 тыс. КОЕ/мл (табл. 5). Численность группы СБ изменялась от 2.3 до 19.1 тыс. КОЕ/мл, что находится в границах категории качества воды “загрязненная”. Этой градации соответствует индекс трофии (ГБ / СБ), значения которого на различных участках реки колеблется от 9.1 до 14.3. Численность НОБ была в основном ниже численности СБ, и их доля в сообществе ГБ ≤ 2%, что значительно ниже, чем в воде хронически загрязненных нефтепродуктами водотоков.

 

Таблица 5. Численность микроорганизмов в воде и ДО р. Полежаевки (ГОСТ 17.1.3.07–82)

Образец	СБ	ГБ	НОБ	ГБ/СБ	НОБ/ГБ, %
Численность бактерий в воде, тыс. КОЕ /мл
1В	19.1	272.7	3.0	14.3	1.1
2В	2.3	325.3	3.2	13.9	1.0
3В	10.3	93.3	1.6	9.1	1.8
4В	18.5	226.7	2.5	12.3	1.1
Численность бактерий в ДО, млн КОЕ/г
1Д	2.1	6.7	0.2	3.2	3.5
2Д	4.1	16.7	0.8	4.1	4.6
3Д	2.7	8. 7	0.1	3.2	1.2
4Д	2.6	11.0	0.2	4.2	1.8

 

В ДО численность ГБ варьировала от 6.7 до 16.7 млн КОЕ/г и была на 2–3 порядка выше, чем в створах, соответствующих месту отбора воды. Максимальная численность ГБ выявлена в осадках створа 2Д с максимальным содержанием С_орг (9.09%). Это же относится и к группам СБ и НОБ. Соотношение группы СБ и ГБ составляло 3.2–4.2, что характеризует более высокий уровень трофности ДО по сравнению с водой. Численность НОБ составляла от 100 до 800 тыс. КОЕ/г, их доля в сообществе ГБ варьировала от 1.2 до 4.6% при максимальном значении в осадках створа 2Д.

В почве водосбора р. Полежаевки численность ГБ варьировала от 3.7 до 83.6 млн КОЕ/г (табл. 6) при максимальном значении на верхнем участке с высоким (8.2%) содержанием С_орг и минимальном на нижнем участке водосбора с низким содержанием (4.76%) ОВ. Численность НОБ составляла от 1.5 до 4.1 млн КОЕ/г при максимальном значении в почве участка 3П с самым высоким (143.2 мг/кг) содержанием УВ и минимальном в почве участка 4П с самым низким (50.6 мг/кг) содержанием УВ. При этом максимальная доля адаптированных к УВ бактерий (НОБ/ГБ, %) была выявлена в почве участка 4П, что свидетельствует о том, что микробное сообщество активнее адаптируется к низким концентрациям УВ.

 

Таблица 6. Численность микроорганизмов в почве водосбора р. Полежаевки

Образец	ГБ, млн КОЕ/г	НОБ, млн КОЕ/г	НОБ/ГБ, %	БМ, млн КОЕ/г	КМ	Актиномицеты, млн КОЕ/г	Микромицеты, тыс. КОЕ/г
1П	83.6	3.1	3.7	62.2	7.23	2.1	18.5
2 П	11.8	2.1	18.1	0.8	0.06	Не обнаружено	11.1
3 П	17.9	4.1	23.0	11.9	0.67	0.8	12.3
4 П	3.7	1.5	38.9	0.5	0.13	Не обнаружено	59.7

 

Численность бактерий, усваивающих минеральную форму азота, условно именуемых минерализаторами (БМ), существенно варьировала – от 500 тыс. КОЕ/г в почве нижнего участка водосбора реки (4П) до 62.2 млн на верхнем участке (1П), т. е. распределение данной группы бактерий повторяло характер распределения ГБ в почве. При этом максимальная величина коэффициента минерализации (КМ), определяемого как отношение БМ/ГБ, совпадала с максимумами численности обеих групп бактерий и максимальными показателями содержания С_орг и УВ, что указывает на активно протекающие в почве данного участка процессы преобразования ОВ, в том числе УВ.

Актиномицеты – спорообразующие, грамположительные бактерии, способные к формированию ветвящегося мицелия. Структурные параметры актиномицетного комплекса как модельной группы микробного сообщества могут служить тестом на нарушение почвенных условий в результате изменения среды под воздействием техногенных факторов [15]. Численность актиномицетов в почве была значительно ниже, чем вышеупомянутых групп бактерий, и выявленные показатели были приурочены к участкам почвы с высоким содержанием С_орг и УВ (1П и 3П), т. е. благоприятные условия для развития данной группы микроорганизмов сложились только в почве верхнего участка водосбора (территория сада), в меньшей степени подверженной техногенному воздействию.

Самой немногочисленной группой микроорганизмов в исследованной почве были микромицеты, их численность составляла 11.1–59.7 тыс. КОЕ/г при максимальной численности на нижнем участке (4П) и минимальной в образце 2П. Известно, что антропогенное загрязнение почвы в первую очередь приводит к снижению общей численности микромицетов [11], что косвенным образом может быть связано с уменьшением поступления в почву растительного опада при угнетении развития высших растений.

Параллельное изучение интенсивности развития микромицетов и микроводорослей имеет большое значение, так как известно, что деструкционная и продукционная деятельность почвенных микроорганизмов – сочетанные процессы, обеспечивающие устойчивость почв к антропогенным воздействиям [8]. Поэтому преобладание той или иной группы микроорганизмов является косвенным свидетельством направленности микробиологических процессов в почве. Микромицеты участвуют в преобразовании ВО на начальных стадиях. На рис. 3 показано, как возрастает роль микромицетов и снижается значение ГБ в деструкционных процессах при увеличении суммарного содержания пигментов в почве верхнего (1П) и нижнего (4П) участков водосбора р. Полежаевки. Если фотосинтетическая деятельность автохтонного сообщества микроводорослей на исследованных участках существенно не различается, то увеличение суммарного содержания фитопигментов за счет поступления отмирающей растительности способствует активизации начальных процессов деструкции растительного материала, осуществляемого микробным сообществом при увеличении роли микромицетов. Нижний участок водосбора отличается от верхнего тем, что его почва после разрушения дамбы представляет собой бывшее дно пруда и характеризуется повышенным увлажнением, способствующим развитию микроводорослей.

 

Рис. 3. Содержание фитопигментов, бактерий и микромицетов в почве верхнего (1П) и нижнего (4П) участков водосбора р. Полежаевки. По оси ординат: Хл а, ∑ пигм, мкг/г; численность ГБ, млн КОЕ/г; численность микромицетов, тыс. КОЕ/г.

 

Содержание и молекулярный состав н-алканов в ДО и почвах

Предельные УВ (н-алканы) признаны удобными маркерами для получения первичной геохимической информации об источниках происхождения ОВ. При этом используют различные критерии молекулярно-массового распределения н-алканов в исследуемом объекте. Это индексы нечетности (CPI и ОЕР) и группы характерных гомологов [4, 39, 40].

Суммарное содержание н-алканов в исследованных осадках варьировало незначительно (от 1.95 до 2.23 мкг/г) и не зависело от общего содержания УВ и С_орг (табл. 7), поскольку в состав ОВ кроме алифатических УВ входят и другие компоненты. Среди идентифицированных соединений в составе н-алканов всех образцов ДО не обнаружены н-алканы С₁₅, С₁₇, С₁₉, характерные для ОВ гидробионтного генезиса, что, вероятно, обусловлено тем, что во внутриводоемных процессах преобладают гетеротрофные процессы (микробиологическая деструкция) над автотрофными (образование автохтонного ОВ). Высокомолекулярные н-алканы С₂₇–С₃₉ составляли 85.97–90.95% от суммы н-алканов. Среди них содержание н-алканов с длиной С-цепи С₂₇–С₃₅, преобладающих в составе биомассы высших растений, составляло 42.73–57.25% от суммы алифатических УВ. При этом величина индекса нечетности CPI (сarbon petroleum index) варьировала от 0.55 до 0.83, не достигая единицы, что свидетельствует о высоком уровне преобразования данного типа ОВ в осадках реки. На это же указывает величина индекса ОЕР (odd-over-even predominances – отношение количества нечетного гомолога к сумме близлежащих четных), которая позволяет оценить источник поступления н-алканов в ДО или почву и указывает на интенсивность протекающих процессов микробиологической деструкции [40]. Судя по величинам ОЕР_{С27, С31, С35}, составляющим < 1, можно заключить, что ОВ, синтезируемое высшей растительностью, в значительной степени преобразовано. Из низкомолекулярных соединений алифатического ряда в близких количествах присутствовали жидкие н-алканы С₁₁ (ундекан) и С₁₂ (додекан). Наличие короткоцепочечных н-алканов без существенного различия по четности-нечетности является признаком загрязнения нефтепродуктами [43] или частицами угля [37].

 

Таблица 7. Молекулярно-групповой состав н-алканов в ДО р. Полежаевки

Компонент	Образец
	1Д	2Д	3Д	4Д
н-алканы, мкг/г	1.95	2.14	2.01	2.23
Диапазон идентифицированных гомологов	С11–С39	С11–С39	С11–С37	С11–С39
∑С11–С12/∑С27–С39	12.15/87.85	14.14/86.14	9.05/90.95	14.03/85.97
∑C27–C35	48.00	42.73	57.25	43.59
CPI C27–C35	0.83	0.60	0.55	0.66
ОЕРС27	0.96	–	–	0.60
ОЕРС29	–	–	–	–
ОЕРС31	0.40	0.42	0.35	0.53
ОЕРС33	–	–	–	–
ОЕРС35	0.51	0.47	0.58	0.34

 

Содержание н-алканов в почве водосбора р. Полежаевки составляло 1.94–2.54 мкг/г, что находится на среднем уровне их содержания в верхнем органогенном горизонте почв разных биоклиматических зон [21] (табл. 8). Их количество не отличалось от такового в ДО р. Полежаевки. Как и для ДО, явной связи между распределением концентраций н-алканов, УВ и С_орг не выявлено, хотя как максимальные, так и минимальные их показатели в почве совпадали. Гомологические ряды н-алканов представлены исключительно высокомолекулярными соединениями с длиной С-цепи С₂₈–С₃₉. Содержание ∑C₂₇–C₃₅, синтезируемых высшей растительностью, незначительно варьировало – от 40.64 до 49.22% от суммы н-алканов. В их составе доминировали четные гомологи – величина CPI С₂₇–C₃₅ составляла 0.44–0.92 при максимальном значении в почве верхнего, более облесенного участка водосбора и минимальном на участке 3П. Значения CPI < 1 также могут быть обусловлены влиянием биомассы микробного компонента почв. Известно, что бактерии могут синтезировать четные высокомолекулярные н-алканы в области С₂₅–С₃₅ путем ресинтеза короткоцепочечных соединений [42]. Вероятно, активной микробиологической деятельностью объясняется отсутствие как в ДО, так и в почве низкомолекулярных н-алканов, синтезируемых низшими растениями и микроводорослями. Именно деятельностью почвенных микроорганизмов обусловлен высокий уровень трансформации нечетных гомологов, генетически связанных с высшей наземной растительностью, на это указывают величины индекса ОЕР < 1 [39].

 

Таблица 8. Молекулярно-групповой состав н-алканов в почве водосбора р. Полежаевки

Компонент	Образец
	1П	2П	3П	4П
н-алканы, мкг/г	2.43	2.54	2.17	1.94
Диапазон идентифицированных гомологов	С30–С39	С28–С39	С28–С39	С28–С37
∑C27–C35	45.16	45.32	40.64	49.22
CPIC27-C35	0.92	0.57	0.44	0.83
ОЕРС29	0.75	0.72	0.89	0.45
ОЕРС31	0.68	0.40	0.70	0.85
ОЕРС33	0.55	0.66	0.50	0.60
ОЕРС35	0.38	0.43	0.43	0.48

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сходство величин биогеохимических характеристик ДО и почв системы “водоток и его водосбор” отражает влияние климатических условий – мусонные дожди, паводки, способствующие стоку терригенного материала в русло реки; гидрологического режима – слабая проточность реки в меженный период; антропогенных факторов – разрушение дамбы пруда, в результате чего произошло обмеление реки и частичная трансформация дна реки в почвенное пространство.

В период летней межени качество воды по гидрохимической и микробиологической оценкам совпадает, и вода характеризуется категорией “загрязненная”. В ДО и почвах водосбора р. Полежаевки процессы деструкции ОВ растительного происхождения преобладали над его продукцией, т. е. в системе “водоток и его водосбор” малой р. Полежаевки доминировали гетеротрофные процессы над автотрофными, что отражается в накоплении преобразованного ОВ в ДО и почве.

По пигментным характеристикам наиболее общая закономерность в пигментном составе ДО и почвы – подавляющее (50–70% от суммы пигментов) преобладание каротиноидов, а в составе продуцентов доминирование диатомей (соотношение Хл c / Хл a превышало Хл b / Хл а). Вклад естественных продуцентов в состав ОВ почв и ДО подтвержден как продукционными характеристиками (Хл а / С_орг), так и на уровне молекулярных маркеров (н-алканы).

Исследование молекулярного состава УВ ДО и почв выявило их генетическую схожесть, которая связана с антропогенным преобразованием водосбора. Показано, что преобладающий тип в ДО и почве – ОВ терригенного генезиса, а именно соединения, синтезированные высшей растительностью. Общее в распределении н-алканов в исследованных осадках и почве – доминирование четных гомологов, что указывает на высокий уровень преобразования ОВ. В обоих случаях прослеживается влияние микробного компонента на состав четных н-алканов.

Уровни углеводородного загрязнения ДО и почв намного ниже, чем таковые для водосборов многих малых рек территории Хабаровска, что открывает благоприятные перспективы для проведения ревитализации р. Полежаевки.

Авторы выражают благодарность Г.М. Филипповой (ЦКП ИВЭП ДВО РАН “Центр экологического мониторинга”) и М.И. Климину (ИВЭП ДВО РАН) за помощь в выполнении анализов.

About the authors

L. A. Garetova

Institute of Water and Ecological Problems of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gar-va1948@mail.ru
Russian Federation, Khabarovsk

E. L. Imranova

Institute of Water and Ecological Problems of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: gar-va1948@mail.ru
Russian Federation, Khabarovsk

N. K. Fisher

Institute of Water and Ecological Problems of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: gar-va1948@mail.ru
Russian Federation, Khabarovsk

References

Supplementary files