Ян СУХИХ, Александр КОПЫТОВ,
10-й класс, Энергофизический лицей №1502 при МЭИ,
научный руководитель – М.А. ОСИНА,
старший преподаватель каф. ХиЭЭ МЭИ

Сезонные изменения концентраций биогенных компонентов и определение лимитирующего вещества фотосинтеза в пресном водоеме на примере пруда Терлецкого лесопарка г. Москвы

Одной из важнейших задач современной экологии является изучение функционирования и устойчивого развития экосистем на урбанизированных территориях. Только длительное наблюдение и изучение разнообразных процессов, протекающих в экосистемах, может позволить в будущем устранить противоречия между ростом населения городов и стремлением людей сохранить природу городских ландшафтов. Малые водоемы, находящиеся на территории г. Москвы, пока редко становятся объектами исследования экологов. Однако они заслуживают особого внимания, поскольку могут существенно влиять на качество окружающей среды, становиться как местами рекреации, так и зонами экологического бедствия.

Объектом нашего исследования стала система прудов Терлецкого лесопарка. Гидрохимический мониторинг прудов по восемнадцати показателям проводится учащимися экологических классов Энергофизического лицея №1502 г. Москвы с октября 1999 г. В данной работе проанализировано изменение концентраций биогенных элементов в течение года и представлены результаты лабораторного эксперимента по определению лимитирующего вещества фотосинтеза в исследуемом водоеме.

Литературный обзор

К числу биогенных компонентов, присутствующих в природных водах, относятся соединения азота и фосфора, которым принадлежит ведущая роль в развитии жизни в водоемах. Одновременно они служат одним из показателей загрязнения воды, а кроме того, некоторые из соединений этих элементов обладают токсичностью [2]. Динамика концентрации азота и фосфора зависит от интенсивности биохимических и биологических процессов, происходящих в гидроэкосистемах.

Азот присутствует в природных водах в составе разнообразных неорганических и органических соединений. К числу первых относятся аммонийные (NH₄+), нитритные (NO₂–) и нитратные (NO₃–) ионы. К органическим соединениям, в состав которых входит азот, относятся главным образом аминокислоты и белки тканей организмов и продукты их распада. Они могут находиться в воде как в виде растворенных молекул, так и различных взвесей и коллоидов, которые образуются при биологических процессах и биохимическом распаде остатков микроорганизмов.

Процесс перехода сложных органических соединений азота в более простые неорганические формы называется регенерацией биогенных элементов. Конечным результатом этого процесса является образование аммиака, который в присутствии кислорода (т.е. в аэробных условиях) под действием бактерий превращается в нитриты и нитраты:

Данные реакции являются экзотермическими, и выделяемая при этом энергия используется бактериями для поддержания своей жизнедеятельности. Азот образующихся минеральных соединений может использоваться растениями для синтеза органических веществ за счет энергии, получаемой в процессе фотосинтеза. Цикл замыкается.

При недостатке кислорода (т.е. в анаэробных условиях) при участии бактерий протекает процесс денитрификации, в результате которого в атмосферу выделяется свободный газообразный азот, переходящий затем.

4 NO₃^– + 5С + 2Н₂О = 2N₂ + CO₂ + 4HCO₃^–

В итоге содержание связанного азота в гидроэкосистеме уменьшается.

Минеральные соединения азота поступают в гидроэкосистему не только за счет процессов регенерации в самом водоеме, но и из окружающей водоем почвы и, в меньшей степени, с атмосферными осадками. В незагрязненных пресных водоемах они не накапливаются, а потребляются растениями. Как правило, концентрация нитратных ионов в поверхностных незагрязненных водах составляет примерно 1 мг/л.

Однако кроме указанных естественных источников все большее значение приобретает поступление в гидроэкосистемы соединений азота с промышленными и бытовыми сточными водами, а также в результате смыва минеральных удобрений. При этом соотношение между поступлением азота и потреблением его растительными организмами может нарушаться, и концентрация этого элемента в водоеме может существенно возрастать.

Растворенный фосфор в природных водах также присутствует в виде неорганических и органических соединений, и основным фактором, определяющим его концентрацию, является соотношение между разложением содержащей фосфор органики и включением минерального фосфора в состав органических соединений растениями за счет энергии фотосинтеза.

Неорганический фосфор присутствует в водоемах главным образом в виде Н₂РО₄^– (кислые воды) и НРО₄^2– (нейтральные и щелочные воды). Фосфаты активно потребляются фитопланктоном, фитобентосом и высшими водными растениями. В процессе деструкции органического вещества большая часть фосфатов, использованных растениями и животными, возвращается в воду.

Основным источником неорганического фосфора в природных водах являются различные формы фосфата кальция (апатита), которые широко распространены в изверженных и осадочных породах. В норме в природных водах фосфор содержится в малых количествах – сотые и десятые доли миллиграмма на литр. Повышение концентрации фосфора в воде может быть связано и с накоплением продуктов разложения органических веществ, и свидетельствовать о загрязнении водоема.

Таким образом азот в форме нитратов и фосфор в форме фосфатов наряду с углеродом, кислородом и водородом относятся к элементам питания, необходимым для роста и развития растений. В небольших количествах им требуются также и другие элементы, в частности железо, медь и кальций.

Процесс фотосинтеза в природных водоемах обобщенно выражается следующим уравнением:

106СО₂ + 16NO₃^– + НРО₄^2– + 122Н₂О + 18Н⁺ С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆Р + 138 О₂,

где С₁₀₆Н₂₆₃О₁₁₀N₁₆Р – средний состав органического вещества фитопланктона.

Однако лимитирующими веществами фотосинтеза (т.е. веществами, количество которых в воде обычно ограничено) являются именно нитраты и фосфаты [4]. В незагрязненных пресных водоемах фотосинтез обычно лимитируется нехваткой фосфатов, а в загрязненных водах лимитирующим веществом часто становятся нитраты [6].

С другой стороны, существенное увеличение содержания элементов питания в водоемах (эвтрофикация) приводит к неблагоприятным последствиям – бурному развитию водорослей и других водных растений, соответствующему уменьшению (за счет высокой интенсивности процессов дыхания), а в отдельных случаях и полному исчезновению кислорода, гибели рыбы и образованию массы гниющих органических веществ [2], разложение которых приводит к дальнейшему снижению содержания кислорода.

Экспериментальная часть

I. Изменение концентрации биогенных элементов в Терлецком пруду за период с ноября 1999 по ноябрь 2000 г.

Отбор проб и подготовка воды для анализа

Отбор проб воды осуществляли с помощью гидрохимического батометра ПЭ 1105 объемом 500 мл. Пробы собирали ежемесячно в трех точках на глубине 20 см от поверхности воды.

Собранную воду переливали в тщательно вымытую полиэтиленовую посуду и перемешивали. Анализ проб проводили в течение 3 ч после отбора при температуре воды +20^оС.

Анализ воды

Для определения содержания в воде нитратов, нитритов, аммония и фосфатов использовали метод колориметрии. Суть метода состоит в том, что то или иное исследуемое вещество с помощью специального реактива переводится в окрашенное соединение, поглощающее свет определенной длины волны. Степень поглощения света таким окрашенным раствором пропорциональна концентрации исходного вещества. Для измерения степени поглощения света мы использовали мультипараметровый фотоколориметр С-100. Определение ионов проводили по прилагаемым к прибору методикам (таблица).

Таблица. Методы определения азотных и фосфатных соединений

Результаты исследований

На рис. 1 представлен график изменения концентрации нитратов в Терлецком пруду в течение года.

Рис.1. Изменение концентрации нитратов в Терлецком пруду в период с ноября 1999 по ноябрь 2000 г.

Обнаруженные значения в течение всего года были достаточно высокими для поверхностных водоемов [2], но превышения ПДК нитратов (40 мг/л, [8]) не наблюдалось. Нитраты – характерная форма азота для аэрируемой воды.

Повышение концентрации нитратов в периоды весеннего паводка и осенних дождей кажется закономерным, т.к. основным источником накопления нитратов в поверхностных водах является почвенный покров. Уменьшение содержания нитратов в конце зимы может быть объяснено неблагоприятными кислородными условиями в подледный период (в это время отмечались и очень низкие концентрации растворенного кислорода – 1,5–2 мг/л). Летний минимум содержания нитратов соответствует периоду энергичного развития поглощающих азот водных растений и фитопланктона.

На рис. 2 и 3 представлены графики изменения концентраций аммония и нитритов в Терлецком пруду в тот же период. Превышение ПДК для аммония (0,5 мг/л, [8]) наблюдалось в конце зимы и осенью 2000 г. Надо отметить, что повышенные концентрации аммония характерны для загрязненных водоемов [3]. Для нитритных ионов превышения ПДК (0,08 мг/л [8]) за период наблюдений отмечено не было.

Рис. 2. Изменение концентрации аммония в Терлецком пруду в период с ноября 1999 по ноябрь 2000 г.

Рис. 3. Изменение концентрации нитритов в Терлецком пруду в период с ноября 1999 по ноябрь 2000 г.

Аммоний и нитриты являются характерными формами азота для среды с восстановительными свойствами, и увеличение их содержания происходит в зимний период, когда концентрация растворенного в воде кислорода сильно снижена. В летние месяцы концентрации этих ионов падают до минимальных значений, а в конце лета начинают возрастать из-за усиления распада органического вещества. Тенденция к росту концентраций аммония и нитритов продолжается осенью, когда с дождевыми потоками в водоем поступает большое количество растительного перегноя.

Рис. 4. Изменение концентрации фосфатов в Терлецком пруду в период с ноября 1999 по ноябрь 2000 г.

На рис. 4 представлен график изменения содержания фосфатов в воде Терлецкого пруда в течение года. Изменение концентрации этого элемента также тесно связано с природными процессами, протекающими как в самом водоеме, так и в окружающей природе. Повышенная концентрация фосфатов, как сказано выше, может указывать на загрязнение воды.

Отчетливое увеличение концентрации в водоеме каждого из проанализированных биогенных компонентов осенью 2000 г. по сравнению с осенью 1999 г. могло быть вызвано проведением мероприятий по реконструкции Терлецкого парка: вокруг исследуемого водоема в конце лета 2000 г. были разбиты обширные газоны, засыпанные землей, обогащенной минеральными и органическими удобрениями. В результате с летними и осенними дождями, а также в период таяния первого снежного покрова в пруд было смыто большое количество питательных веществ. Из литературных источников известно, что концентрация фосфата 10 мг/м3 и выше приводит к заметному росту планктона и растительности [8]. Высокие значения концентраций соединений фосфора и азота и слабый водообмен в Терлецком пруду вызывают усиление процессов эвтрофикации и позволяют предположить бурное «цветение» водоема следующим летом.

II. Определение лимитирующего вещества фотосинтеза

Для определения лимитирующего вещества фотосинтеза в единовременно отобранные из водоема пробы воды добавили определенное количество тех или иных питательных веществ, а затем каждые семь дней на протяжении месяца проводили измерения мутности воды. Изменение этого показателя отражало увеличение количества фитопланктона в пробе.

Всего было отобрано четыре пробы, помещенные в одинаковые емкости объемом 5 л, установленные в условиях одинаковых значений температуры и освещенности. В три сосуда были добавлены следующие количества питательных веществ:

1 – 0,01 М нитрата (0,62 г NO₃^–);

2 – 0,01 М фосфата (0,95 г РО₄^3–);

3 – 0,015 М нитрата (0,93 г NO₃^–) и 0,015 М фосфата (1,425 г РО₄^3–).

В четвертый сосуд – контрольный – биогенных элементов не добавляли.

Определение изменения мутности проводили с помощью специального прибора турбидиметра и выражали в формазиновых единицах мутности (FTU), которые соотносятся с нефелометрическими единицами (NTU) как 1:1.

Рис. 5. Изменение мутности в контрольной пробе воды и в пробах с добавлением биогенных элементов с течением времени

На рис. 5 представлен график постепенного изменения мутности во всех четырех сосудах. Повышение мутности в контрольной пробе происходило за счет питательных веществ, изначально содержащихся в воде пруда. Добавление в воду фосфата не вызвало значительного увеличения мутности по сравнению с контрольным образцом, но добавление нитрата привело к значительному росту количества фитопланктона.

В конце эксперимента в воде контрольного и опытных образцов под микроскопом был проведен прямой подсчет количества клеток фитопланктона (по стандартной методике с использованием камеры Горяева).

Результаты:

• контрольный образец – 350 тыс. клеток/см³;

• вода с добавлением РО₄^3– – 400 тыс. клеток/см³;

• вода с добавлением NO₃^– – 600 тыс. клеток/см³;

• вода с добавлением РО₄^3– и NO₃^– – 800 тыс. клеток/см³.

Полученные результаты свидетельствуют, что отмеченные изменения мутности действительно отражали увеличение количества фитопланктона в воде.

Таким образом можно заключить, что вода в исследованном водоеме содержит фосфатов больше, чем необходимо для нормального функционирования экосистемы, а лимитирующим веществом фотосинтеза здесь является азот. Как уже было сказано, это может свидетельствовать о загрязнении водоема [6].

Рис.6. Колонии зеленых водорослей. Фотографии выполнены с помощью микроскопа и цифрового фотоаппарата.

Выводы

1. Средние значения концентраций биогенных веществ в Терлецком пруду высокие. Для аммония в конце зимы и осенью наблюдалось даже превышение ПДК. Это указывает на загрязнение воды в пруду и предполагает усиление процессов эвтрофикации.

2. Изменение концентраций биогенных веществ в водоеме тесно связано с природными процессами, протекающими как в самом водоеме, так и в окружающей природе. Однако значительное увеличение содержания нитратов, нитритов, аммония и фосфатов, зафиксированное осенью 2000 г., нельзя целиком отнести к естественным для водоема процессам. Увеличение концентраций этих веществ в воде явилось следствием мероприятий по реконструкции Терлецкого парка, проводимых без должного внимания к их воздействию на состояние прудов.

3. Лимитирующим веществом фотосинтеза в пруду является азот, что может указывать на загрязнение водоема.

Литература

1. Новиков Ю.В., Ласточкина К.О., Болдина З.Н. Методы исследования качества воды водоемов. – М.: Медицина, 1990.

2. Никаноров А.М., Посохов Е.В. Гидрохимия. – Л., Гидрометеоиздат, 1985.

3. Справочник по гидрохимии / Под ред. Никанорова А.М. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

4. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. – М.: Мир, 1995.

5. Эдмондсон Т. Практика эколога. – М.: Мир, 1998.

6. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Кислотно-основные равновесия и окислительно-восстановительные процессы в природных водоемах. – М.: МХТИ им. Менделеева, 1988.

7. Фелленбeрг Г. Загрязнение природной среды. – М.: Мир, 1997.

8. Санитарные нормы предельно допустимого содержания вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (СанПиН 42-121-4130-86). – М.: Минздрав СССР, 1988.