Всероссийская конференция с международным участием «Биогеосистемная экология и эволюционная биогеография»

Новосибирск, 14-19 декабря 2015 г.

Зарубина Е.Ю.   Ермолаева Н.И.   Страховенко В.Д.   Мищенко Т.И.  

Влияние биотических компонентов на состав органического вещества донных отложений малых озер юга Западной Сибири

Докладчик: Зарубина Е.Ю.

Сапропели – одна из форм донных отложений пресноводных водоемов, образующихся в анаэробных условиях в результате физико-химических и биологических преобразований остатков озерных гидробионтов при различной степени участия минеральных и органических компонентов терригенного стока. Сапропель может быть использован в разных отраслях: топливной, строительной, сельскохозяйственной, медицинской и др. Данный продукт восполняемый и, при экологически разумной добыче, может ежегодно воспроизводиться в добываемых количествах.
Органическое вещество сапропелей образуется непосредственно в водоеме, но может также приноситься с водосбора. В водоемах с преобладанием аллохтонным типом накопления органического вещества это является одним из основных факторов формирования донных отложений. В водоемах с автохтонным типом накопления основное значение имеет синтез органического вещества в водоемах, который осуществляется гидробионтами. Совокупность всех происходящих в озере процессов образования органического вещества из минеральных путем фотосинтеза характеризует собой продуктивность озера. Сапропели представляют собой сложный органический или органоминеральный комплекс разнообразных химических соединений, как сохранившихся в исходной биомассе (остатках водорослей, растений и т.д.), так и вновь образовавшихся в процессе биохимической трансформации органического вещества – гуминовых веществ, витаминов, ферментов, свободных аминокислот.
Цель работы - оценить вклад зоопланктона и макрофитов в процессы седиментации и формирования сапропеля озер различных типов.
На основе преобладания в илах продукции растительного или животного происхождения сапропели можно подразделить на три вида: макрофитные, планктонные, смешанные. В мелководных озерах, обильно зарастающих водной растительностью, основной вклад в образование сапропелей вносят макрофиты. В более глубоких озерах преобладает, как правило, смешанный планктонно-макрофитный тип сапропеля. При этом в литоральной мелководной зоне, как правило, доминирует макрофитный, а в пелагиали – планктонный тип сапропеля.
В 2012-2014 гг. проведены комплексные гидробиологические и гидрохимические исследования 26 озер Новосибирской области. Исследован химический состав сапропелей в зависимости от гидробиологических условий их формирования. Определены уровни продуктивности ряда гидробионтов (фито- и зоопланктона, макрофитов). Поставлены эксперименты для определения первичной продукции фитопланктона методом склянок в кислородной модификации; отобраны пробы воды для определения: концентрации растворенного кислорода и биохимического потребления кислорода; собран гербарий, сделаны укосы на биомассу, выполнены геоботанические описания; отобраны пробы фито- и зоопланктона.
Для определения качественного состава осаждающейся взвеси и расчета потоков вещества на единицу площади дна поставлены эксперименты с седиментационными ловушками [Ермолаева, 2013].
Общее содержание органического вещества в озерных сапропелях Новосибирской области изменялось от 92 до 14 %. Отношение углерода к азоту (C:N) в органической части изученных донных отложений озер меняется от 8 до 15, что говорит о смешанном составе (плактон+макрофит) органического вещества преимущественно автохтонного генезиса.
На основе данных, полученных с использованием седиментационных ловушек, проведена оценка биотической составляющей седиментационного процесса в озерах. Рассчитана величина седиментационного потока сухого вещества. Поток автохтонного органического вещества составляет от 3 до 76 % от общей массы седиментационного потока. Остальные составляющие баланса - перезахоронение детрита, минеральная и органическая составляющая, поступающая с водосбора.
Зоопланктон, отфильтровывая фитопланктон и бактерии, выделяет пеллетный материал (фекалии, упакованные в оболочку), которые создают значительную часть седиментационного потока. Пеллетный материал Copepoda богат аммонийным азотом и органическим углеродом, а развитие крупных фильтрующих Cladocera способствует осаждению фосфора. В связи с тем, что изученные нами озера мелководные, продукция зоопланктона не успевает минерализоваться в процессе круговорота вещества и непосредственно включается в состав сапропеля. Выполненные расчеты показали, что за счет отмирания зоопланктона в донные отложения озера Горка поступает 1544,24 мгСорг./м3•год, 369,47 мгN/м3•год и 5,38 мгP/м3•год, оз. Цыбово – 1585,17 мгСорг./м3•год, 379,26 мгN/м3•год и 5,52 мгP/м3•год. Вклад экскретируемого зоопланктоном органического вещества для оз. Горка составил 82279 мгСорг./м2•год, 10944 мгN/м2•год и 995 мгP/м2•год, для оз. Цыбово - 47004 мгСорг./м2•год, 5010 мгN/м2•год и 698 мгP/м2•год.
Исследованные озера значительно различаются по характеру и степени зарастания макрофитами, составу доминирующих видов, а также уровню продуктивности фитоценозов. На оз. Горка доминирует жесткая воздушно-водная растительность, представленная сообществами тростника, окаймляющего озеро в виде бордюра, общая площадь зарастания не превышает 5%. Для оз. Цыбово характерен массивно-зарослевый тип зарастания. Вдоль берегов доминирует жесткая воздушно-водная растительность, представленная сообществами тростника, на акватории – мягкая погруженная с доминированием роголистника. Продукция органического вещества, создаваемого макрофитами на озере Горка составила 472,3 гС/м2 в год, на оз. Цыбово – 730,6 гС/м2 в год. Расчетная величина поступления общего азота при разложении макрофитов в оз. Горка составляет 21,73 гN/м2•и общего фосфора – 2,72 гР/м2 в год, в оз. Цыбово – 32,85 гN/м2 и 4,11 гР/м2 в год.
Исследован групповой состав органического вещества сапропелей озер Новосибирской области (Большие Кайлы, Горка, Цыбово, Минзелинское, Ярголь, Камбала) методом последовательной экстракции с хроматографическим анализом фракций легкогидролизуемых и трудногидролизуемых веществ на содержание моносахаридов. Обнаружены существенные отличия в химическом составе органического вещества сапропелей, формирующихся из биологического материала различного происхождения.
Доля водорастворимых веществ для сапропелей озер Большие Кайлы, Камбала, Минзелинское, Цыбово, Ярголь и Горка снижается с 8,9 % до 4,1 %. Содержание битумов в образцах сапропелей озер Камбала, Цыбово, Большие Кайлы, Горка, Ярголь и Минзелинское составляет 4,9 %, 4,6 %, 4,5 %, 4,3 %, 4,1 % и 1,7 %, соответственно. Наибольшее количество гуминовых кислот содержится в сапропелях озера Камбала и Большие Кайлы составляет 19,1 % и 18,6 %. В озере Ярголь, доля гуминовых кислот была 9,3 %. В отличие от макрофитогенного сапропеля, где источником поступления легкогидролизуемых веществ служат гемицеллюлозы высших растений, и планктоногенного сапропеля, где источником являются полисахаридные стенки микроорганизмов, сапропель смешанного типа совмещает два этих типа.
Основной составляющей фракции трудногидролизуемых веществ является целлюлоза. Содержание трудногидролизуемых веществ в сапропелях озер Большие Кайлы, Цыбово, Ярголь, Горка, Минзелинское и Камбала составляет 17,4 %, 3,9 %, 1,7 %, 1,2 %, 0,9 % и 0,3 %, соответственно. Количество негидролизуемого остатка во всех образцах велико. Для макрофитогенных сапропелей негидролизуемый остаток состоит в основном из лигниноподобного вещества, оставшегося после разложения макрофитов, то в планктоногенном сапропеле данный остаток состоит из минерального вещества. Негидролизуемый остаток в сапропелях озер Ярголь, Цыбово, Камбала, Большие Кайлы, Минзелинское и Горка составляет 39,3 %, 38,6 %, 37,7 %, 28,7 %, 19,5 % и 17 %, соответственно. Легкогидролизуемые вещества содержат в своем составе широкий спектр различных сахаров, таких как галактоза, глюкоза, фруктоза, манноза, арабиноза, рибоза и ксилоза. В составе трудногидролизуемых веществ сапропелей была обнаружена глюкоза для всех образцов. Наибольшее количество глюкозы обнаружено в макрофитогенном сапропеле озера Ярголь. Доли легкогидролизуемых веществ, к которым относятся моносахариды гемицеллюлоз, распределены крайне неравномерно в образцах сапропелей. Показано, что легкогидролизуемые вещества оз. Горка составляют 61,21 %, а в сапропелях озер Б. Кайлы и Цыбово значительно меньше количество легкогидролизуемых веществ: 14,97 % и 6,34 %.
Таким образом, легкогидролизуемые вещества поставляются в сапропель главным образом за счет фитопланктона и зоопланктона, а трудногидролизуемые (лигнины и целлюлоза) - за счет воздушно-водной растительности. Рассмотренные озера представляют собой различные типы смешанного генезиса донных отложений. В озерах Минзелинское, Б. Кайлы, Цыбово и Ярголь большая доля вклада макрофитов, тогда как в озерах Горка и Камбала заметна роль фито- и зоопланктона.

Работа выполнена при поддержке интеграционного проекта СО РАН №125.