Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Акулова Анастасия Юрьевна

Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья
<
Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Акулова Анастасия Юрьевна. Современное состояние гетеротрофных бактериоценозов Косинского Трехозерья: диссертация ... кандидата Биологических наук: 03.02.08 / Акулова Анастасия Юрьевна;[Место защиты: ФГБОУ ВО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова], 2017

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Обзор литературы 9

1.1 Общая численность гетеротрофного бактериопланктона пресных водоемов умеренных широт: пространственно-временная изменчивость и основные факторы среды, ее определяющие 9

1.1.1 Временная изменчивость общей численности бактерий 10

1.1.2 Влияние содержания органических веществ и степени трофности водоема 13

1.1.3 Уровень развития фитоцена и его связь с общей численностью гетеротрофных бактерий 15

1.2 Бактерии с активной электронтранспортной системой 18

1.3 Эвтрофные бактерии, как одна из основных групп культивируемого гетеротрофного бактериопланктона 22

1.3.1 Коэффициент Разумова 25

1.4 Культивируемые углеводородокисляющие микроорганизмы, как обычный компонент гетеротрофных бактериоценозов пресных водоемов умеренных широт 26

1.4.1 Углеводородокисляющий бактериопланктон: распространение, численность и таксономический состав 28

1.4.2 Углеводородокисляющая активность бактериопланктона 33

1.5 Оценка качества воды по гидрохимическим и микробиологическим параметрам 36

Глава 2 Объекты

2.1 Физико-географическая, гидрохимическая характеристики Косинских озер и оценка антропогенной нагрузки на них 41

2.1.1 Озеро Святое 43

2.1.2 Озеро Белое 46

2.1.3 Озеро Черное 49

2.2 Методы исследований 52

2.2.1 Отбор проб воды 52

2.2.2 Гидрохимический анализ 52

2.2.3 Определение концентраций пигментов фитопланктона 54

2.2.4 Определение общей численности бактерий методом люминесцентной микроскопии 55

2.2.5 Учет численности бактерий с активной электронтранспортной системой 56

2.2.6 Определение численности эвтрофных бактерий 57

2.2.7 Определение численности углеводородокисляющих бактерий 57

2.2.8 Расчет коэффициентов К, Ку, Ку1 58

2.2.9 Определение потенциальной углеводородокисляющей активности микроорганизмов 58

2.2.10 Выделение чистых культур углеводородокисляющих бактерий, их описание и таксономический анализ 60

2.2.11 Определение таксономического положение двух представителей углеводородокисляющих бактерий 61

2.2.12 Статистическая обработка результатов 63

Глава 3 Результаты и обсуждение

3.1 Температура воздуха, воды и ледовый режим Косинских озер 64

3.2 Гидрохимические показатели Косинских озер в 2011 – 2012 гг.

3.2.1 Озеро Святое .64

3.2.2 Озеро Белое .71

3.2.3 Озеро Черное .76

3.2.4 Результаты расширенного гидрохимического анализа вод Косинских озер .81

3.2.5 Сравнение Косинских озер по гидрохимическим показателям 83

3.3 Содержание фотосинтетических пигментов в водах Косинских озер в 2010 – 2012 гг 85

3.3.1 Озеро Святое .85

3.3.2 Озеро Белое .91

3.3.3 Озеро Черное .95

3.3.4 Сравнительный анализ фотосинтетических показателей Косинских озер .100

3.4 Анализ микробиологических показателей Косинских озер в 2010 – 2012 гг 104

3.4.1 Численность гетеротрофного бактериопланктона по прямому счету 104

3.4.1.1 Озеро Святое 104

3.4.1.2 Озеро Белое 109

3.4.1.3 Озеро Черное 116

3.4.1.4 Сравнение Косинских озер по величинам общей численности бактерий и их

сезонной и межгодовой изменчивости 122

3.4.2 Количество бактерий с активной электронтранспортной системой 125

3.4.2.1 Озеро Святое 126

3.4.2.2 Озеро Белое 132

3.4.2.3 Озеро Черное 138

3.4.2.4 Численность бактерий с активной электронтранспортной системой в трех

Косинских озерах в 2010 – 2012 гг 143

3.4.3 Эвтрофные бактерии 147

3.4.3.1 Озеро Святое 147

3.4.3.2 Озеро Белое .152

3.4.3.3 Озеро Черное .157

3.4.3.4 Сравнение численности эвтрофных бактерий трех Косинских озер 162

3.4.4 Углеводородокисляющие бактерии 165

3.4.4.1 Озеро Святое 165

3.4.4.2 Озеро Белое .168

3.4.4.3 Озеро Черное .172

3.4.4.4 Сравнительный анализ численности углеводородокисляющих бактерий в трех Косинских озерах 175

3.5 Потенциальная углеводородокисляющая активность гетеротрофного бактериопланктона и ее сезонная изменчивость 181

3.5.1 Озеро Святое .181

3.5.2 Озеро Белое .185

3.5.3 Озеро Черное 187

3.5.4 Сравнение значений показателей углеводородокисляющей активности трех Косинских озер 190

3.6 Статистическая обработка результатов 193

3.6.1 Расчет коэффициентов корреляции 193

3.6.2 Регрессионный анализ по методу Distanse Based Linear Moduling 195

3.7 Таксономический анализ чистых культур углеводородокисляющих бактерий, выделенных из Косинских озер в 2010 – 2012 гг. 197

3.7.1 Озеро Святое .198

3.7.2 Озеро Белое .199

3.7.3 Озеро Черное .200

3.7.4 Оценка родового разнообразия углеводородокисляющих бактерий, выделенных из вод Косинских озер 200

3.7.5 Идентификация двух штаммов углеводородокисляющих бактерий из числа наиболее распространенных в Косинских озерах .202

3.7.5.1 Идентификация и определение таксономической позиции штамма 2012А... 203

3.7.5.2 Идентификация и определение таксономической позиции штамма 2012В 205

3.8 Оценка современного состояния Косинского Трехозерья 210

Заключение 213

Выводы 214

Перечень сокращений и условных обозначений: 216

Список использованной литературы 217

Введение к работе

Актуальность исследования. Гетеротрофный бактериопланктон является весьма
многочисленным, метаболически и таксономически разнообразным компонентом водных
экосистем. Он служит связующим звеном между растворимыми органическими соединениями и
консументами в пищевых сетях, играет ключевые роли в минерализации органических веществ
и круговоротах углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, железа и других важных для биоты
элементов. Гетеротрофные бактерии играют ведущую роль в формировании качества
поверхностных и подземных вод, так как осуществляют разложение и детоксикацию широкого
спектра органических и неорганических загрязняющих веществ антропогенного

происхождения. Кроме того, клетки бактерий служат существенным пищевым объектом для протозойного и метазойного планктона. Гетеротрофные бактериоценозы характеризуются широким диапазоном адаптационных возможностей и быстрым реагированием на смену экологических условий, которое выражается в колебаниях численности и изменениях структуры водных бактериоценозов (Олейник, 1997). Таким образом, гетеротрофный бактериопланктон является одной из наиболее активных и информативных структурных единиц экосистемы, поэтому знания об экологии, функциях и разнообразии гетеротрофных бактерий необходимы для понимания закономерностей структурной организации и функционирования водных экосистем (Копылов, Косолапов, 2008). В настоящее время подавляющее большинство водоемов и водотоков подвержено антропогенному воздействию, в результате которого нарушается естественное равновесие между абиотическими и биологическими компонентами водной среды. Этот фактор определяет условия жизнедеятельности всех гидробионтов, которые обеспечивают сбалансированность биологического круговорота и способствуют процессам самоочищения водных экосистем (Прыткова, 2002).

Косинский озерный комплекс, известный как Косинское Трехозерье, включает три озера – Святое, Белое и Черное, которые расположены в восточном округе г. Москвы, на территории района Косино-Ухтомский. В начале прошлого века, в 1908 г., профессором зоологии и директором зоологического музея Московского Университета Г.А. Кожевниковым на озере Белом была создана Косинская биологическая (впоследствии – лимнологическая) станция, в период функционирования которой на всех трех озерах активно проводились комплексные химико-биологические исследования. Такой интерес к этим водоемам был связан с тем, что, несмотря на близкое расположение, Косинские озера имели значительные различия по гидрохимическому режиму, трофическому статусу и истории развития. В 1942 г. станция была закрыта, в связи с чем регулярные биологические, в том числе и микробиологические, наблюдения на Косинских озерах были прекращены. В начальный период исследований эти водоемы были мало подвержены антропогенному воздействию, однако в 1986 г. подмосковный район Косино был включен в состав г. Москвы, и в результате антропогенная нагрузка на Косинские озера стала быстро возрастать. В 2007 г. природно-исторический парк «Косинский» и входящие в него три озера были внесены в список особо охраняемых природных территорий (ООПТ), однако экологическое состояние озер, и, в частности, их гетеротрофного бактериопланктона, до начала наших наблюдений оставалось неизвестным. Для его оценки в период с 2010 по 2012 гг. с помощью современных микробиологических методов на всех трех Косинских озерах были проведены круглогодичные наблюдения.

Цель и задачи исследований. Цель работы – изучение современного состояния гетеротрофного бактериопланктона поверхностного слоя воды трех Косинских озер, а также его сезонной и межгодовой изменчивости.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

  1. Исследовать временные изменения общей численности гетеротрофного бактериопланктона (ОЧБ) по прямому счету;

  2. Изучить временные изменения численности бактерий с активной электронтранспортной системой (ЭТС);

  3. Исследовать временные изменения численности культивируемых эвтрофных бактерий (ЭвБ) и углеводородокисляющих бактерий (УОБ);

  4. Определить временную изменчивость потенциальной углеводородокисляющей активности озерного бактериопланктона;

  5. Провести гидрохимический анализ и изучить динамику содержания хлорофилла а;

  6. Выделить чистые культуры наиболее распространенных представителей УОБ и провести их таксономическую идентификацию культуральными, физиолого-биохимическими и молекулярно-генетическими методами;

  7. Оценить современное состояние трех Косинских озер с учетом исследованных биологических и гидрохимических показателей.

Научная новизна. В 2010 – 2012 гг. на трех Косинских озерах впервые после
многолетнего перерыва были проведены круглогодичные мониторинговые наблюдения с
применением комплекса современных микробиологических, гидробиологических и

гидрохимических методов. Наряду с традиционными микробиологическими показателями, впервые для этих озер были определены численность бактерий с активной ЭТС и потенциальная углеводородокисляющая активность бактериопланктона, также впервые были выделены чистые культуры УОБ и проведен молекулярно-генетический анализ двух их наиболее распространенных представителей. В результате получены современные данные о состоянии гетеротрофного бактериопланктона озер, гидрохимическом составе вод и содержании в них хлорофилла а в различные сезоны года. Это позволило определить трофический статус Косинских озер и оценить качество их вод. Молекулярно-генетический анализ двух культур УОБ показал, что одна из них принадлежит к виду Rhodococcus erythropolis, хорошо известному по данным литературы своим активным участием в процессах деградации углеводородов в водоемах и почвах, а вторая – к менее известному роду Stenotrophomonas, для отдельных представителей которого способностью к окислению углеводородов также была ранее описана в литературе.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты комплексных круглогодичных биологических наблюдений на трех Косинских озерах, представленные в настоящей работе, являются первыми за последние 80 лет, которые прошли со времени ликвидации Косинской лимнологической станции в 1942 г. Сравнение результатов предыдущих исследований Косинских озер, проведенных в 30-х годах прошлого века с данными, полученными нами в период 2010 – 2012 гг., показало, что за прошедший период времени произошло существенное возрастание величин отдельных микробиологических показателей, также имеют место отклонения от наблюдавшейся ранее сезонной динамики развития бактериопланктона, что в целом может свидетельствовать об ухудшении экологического состояния озер. Представленные в настоящей работе данные могут служить основой для дальнейшего гидробиологического мониторинга состояния озер, которые входят в состав ООПТ «Природно-исторический парк «Косинский».

Личный вклад соискателя. Соискатель принимал непосредственное участие на всех этапах работы: поиске и обзоре литературы, постановке цели и задач исследования, полевых наблюдениях, отборе и обработке проб воды, лабораторных микробиологических исследованиях и интерпретации полученных результатов. Диссертант проанализировал, обобщил и представил полученные данные, сформулировал выводы. Текст диссертации написан соискателем по плану, согласованному с научным руководителем.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На современном этапе развития три озера, входящие в ООПТ «Природно-исторический
парк «Косинский», по большинству стандартных микробиологических показателей (ОЧБ,
численность ЭвБ) могут быть охарактеризованы как загрязненные водоемы третьего класса
качества. Что касается трофического статуса, то на основании величин ОЧБ и концентрации
хлорофилла а в воде, озера Белое и Святое были отнесены к эвтрофным водоемам, тогда как
статус озера Черного является переходным от мезотрофного к эвтрофному. По сравнению с
ранним периодом наблюдений, к настоящему времени степень трофии всех трех Косинских озер
в целом возросла, что может быть связано с увеличившейся антропогенной нагрузкой на эти
водоемы.

  1. Различия между озерами не оказывают существенного влияния на количественные изменения всех микробиологических показателей, за исключением углеводородокисляющей активности. Межгодовая изменчивость наиболее существенно сказывается на значениях ОЧБ и динамике численности бактерий с активной ЭТС и, в меньшей степени, на изменчивости показателя, характеризующего потенциальную углеводородокисляющую активность бактериопланктона.

  2. Среднегодовые значения потенциальной углеводородокисляющей активности бактериопланктона в озере Черном в 2011 и 2012 гг. достоверно отличались в меньшую сторону от таковых, отмеченных для озер Белого и Святого, что свидетельствует о тенденции к снижению способности его вод к естественному очищению от нефтяных углеводородов.

  3. Численность бактерий с активной ЭТС, которая для Косинских озер была определена впервые, является важной характеристикой текущего состояния водоемов. Этот показатель позволил оценить количество метаболически активных бактерий в составе гетеротрофных бактериоценозов исследованных озер, которое не связано напрямую с их общей численностью.

  4. К числу наиболее распространенных представителей культивируемых УОБ в Косинских озерах относятся бактерии вида Rhodococcus erythropolis, а также бактерии рода Stenotrophomonas.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены на ХХ и ХХI Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «ЛОМОНОСОВ-2013» (Москва, 2013), «ЛОМОНОСОВ-2014» (Москва, 2014); на ХI Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2016); на XV Школе-конференции молодых учёных «Биология внутренних вод» (Борок, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа включает введение, 3 главы, заключение, выводы, перечень сокращений, список литературы и Приложение. Диссертация изложена на 260 страницах машинописного текста, содержит 47 таблиц (в том числе, 16 в Приложении) и 60 рисунков. Список литературы включает 166 источников, из которых 66 – на иностранных языках.

Уровень развития фитоцена и его связь с общей численностью гетеротрофных бактерий

В водной среде бактериальные клетки и их агрегаты могут находиться как во взвешенном состоянии, так и в прикрепленном к частицам взвеси виде. Бактериопланктон является весьма многочисленным (большей численности достигает только виропланктон), активным, метаболически и таксономически разнообразным компонентом планктонного сообщества. Гетеротрофные бактерии обладают высокими темпами размножения, пластичным метаболизмом и осуществляют важнейшие биогеохимические процессы, такие как минерализация органических веществ, круговороты кислорода, водорода, азота, фосфора, металлов и других элементов. По результатам современных исследований, от 40 до 60% органического углерода, создаваемого первичными продуцентами, потребляется гетеротрофными бактериями (Whitman et al., 1998; Ducklow, 1999 и др.), которые, в свою очередь, служат существенным пищевым объектом для протозойного и метазойного планктона. Таким образом, гетеротрофные бактерии играют важную роль в структурной организации и функционировании морских и пресноводных экосистем (Копылов, Косолапов, 2008).

Гетеротрофные бактериоценозы, благодаря широкому диапазону адаптационных возможностей, способны быстро реагировать на смену экологических условий. Эта реакция выражается в изменениях структуры сообщества, включая изменения соотношения количества эколого-трофических групп, а также величине размаха кратковременных колебаний численности (Олейник, 1997). В условиях умеренных широт, для которых характерна выраженная сезонная изменчивость абиотических параметров, основные биотические, в том числе, и микробиологические, показатели водоема, подвержены существенным вариациям, которые не всегда возможно отличить от изменений, вызванных антропогенными факторами. По этой причине систематические наблюдения за изменениями численности и продукции микроорганизмов, интенсивностью микробиальных процессов в водоеме имеют большое значение для составления научно обоснованных прогнозов развития конкретных водных экосистем. Для выявления основных закономерностей функционирования бактериоценозов, в том числе связей между абиотическими и микробиологическими параметрами водной среды, даже годичных наблюдений обычно недостаточно. В этих случаях требуются многолетние наблюдения, которые позволяют выявить естественную вариабельность анализируемых параметров (Романенко, 1985).

Общая численность бактериопланктона (ОЧБ) представляет собой суммарную численность метаболически активных и интактных бактериальных клеток, а также отмерших бактерий с разрушенной клеточной оболочкой. Существует несколько методов определения ОЧБ, результаты которых между собой могут довольно существенно различаться. В работах, выполненных в период 1932 – 1985 гг., а иногда – и позднее, ОЧБ учитывали по методу Разумова (1932), представляющему собой прямой подсчет окрашенных бактериальных клеток под световым микроскопом. К недостаткам этого метода стоит отнести использование неспецифического красителя – эритрозина, который, наряду с бактериальными клетками, окрашивал в бледно-розовый цвет частицы органической и минеральной взвеси, что затрудняло их разделение. Кроме того, использование обычного светового микроскопа приводило к недоучету мелких форм бактерий. Эти недостатки привели к широкому распространению более совершенного метода эпифлуоресцентной микроскопии, который в настоящее время применяется большинством специалистов для учета ОЧБ. Для окрашивания бактериальных клеток используют различные красители-флуорохромы. Акридиновый оранжевый (АО) связывается с компонентами ДНК и РНК клеток, что обеспечивает их четкий контраст и делает возможным учет бактерий даже на частицах взвеси. Однако, при использовании этого красителя могут возникать некоторые сложности, такие, как автофлуоресценция или окрашивание АО мелких частиц взвеси и детрита. В этих случаях чаще используют флуорохром 4 ,6-диамидино-2-фенилиндол (ДАФИ) (Porter, Feig, 1980; Hoff, 1988; Hoff, 1993 и др.).

Пространственное распределение ОЧБ в водоемах может заметно варьировать – численность бактериопланктона в прибрежных акваториях озер зачастую превышает таковую в открытых водах. Так, микробиологические исследования поверхностного горизонта оз. Валдайского и оз. Ужин показали, что значения ОЧБ в их открытых частях находились в пределах 1 млн. кл./мл, а в прибрежных участках у г. Валдая – возрастали до 2,1 млн. кл./мл (Марголина, 1989).

В пресных водоемах умеренных широт на величину ОЧБ в течение года исключительное воздействие оказывают сезонные изменения. Уже в середине марта, задолго до бурного поступления талых вод, подо льдом наблюдается увеличение значений ОЧБ. Весенний, обычно наиболее высокий, максимум развития бактерий в водоемах умеренных широт обычно наблюдается в середине мая, а затем содержание бактериопланктона в воде снижается, и в конце июня отмечается минимальная летняя величина ОЧБ. В дальнейшем общее количество бактерий вновь постепенно возрастает и достигает второго максимума в середине октября. Первый максимум обусловлен в основном абиотическими факторами, в частности, снеготаянием и привносом бактерий с талой водой, а второй максимум связан с поступлением легкодоступного ОВ в результате отмирания фито- и зоопланктона, а также с более частым ветровым перемешиванием и осенними паводками (Романенко, 1985). Такая сезонная динамика ОЧБ наблюдалась, например, в мезотрофном оз. Пуннус-Ярви, где было отмечено два максимума их значений – весной и осенью (Горленко, Дубинина, Кузнецов, 1977). Таким образом, в водоемах умеренных широт обычно наблюдается два максимума значений ОЧБ в течение года – весенний и осенний, и два минимума – зимний и летний. Зимний минимум можно назвать пассивным, летний – динамическим, так как он определяется равновесием в процессах размножения, отмирания и потребления микроорганизмов другими гидробионтами (Романенко, 1985).

Общая картина сезонного распределения величин ОЧБ в разных водоемах по разным причинам может иметь свои характерные особенности. Например, в эвтрофном оз. Дривяты, средняя глубина которого составляет 6 м, максимум величин ОЧБ был отмечен в летний период. В олиготрофном оз. Байкал в августе численность бактерий первично увеличивалась лишь в поверхностном слое, при максимальном развитии цианобактерий, и вторично – в конце сентября, когда шло отмирание последних (Горленко, Дубинина, Кузнецов, 1977).

В умеренных широтах одним из главных факторов, обуславливающих проявления сезонности в развитии бактериопланктона, является температура воды. Однако, ее влияние на динамику ОЧБ может быть не только прямым, но и косвенным, и не всегда четко выраженным. Например, для вод Волгоградского водохранилища не удалось установить тесной зависимости между этими параметрами: коэффициенты корреляции температуры воды с численностью бактерий как летом 1967 г., так и летом 1967 – 1975 гг. оказались незначимы (Донецкая, 1986). Сходные результаты были получены и другими исследователями (Лебедева, 1962, Лебедева и др., 1967, Цыбань, 1970). Весьма вероятно, что характер биологических процессов в водоемах определяется множеством факторов, при этом отдельные из них, положительно или отрицательно влияющие на развитие бактерий, в различные периоды наблюдений проявляются по-разному (Донецкая, 1986).

Результаты долгосрочных наблюдений на одном и том же водоеме показывают, что максимумы и минимумы численности бактерий часто приходятся на разные месяцы, иногда один из максимумов отсутствует или два максимума сливаются. Например, в водах слабоэвтрофного оз. Аннинское, расположенного в Ленинградской области, значения ОЧБ в августе 1994 г. составили 2,23 млн. кл./мл, а диапазон колебаний максимальных величин ОЧБ в том же месяце в два следующих года был значительно шире – от 3,27 до 3,19 млн. кл./мл (Бульон и др., 1999).

Углеводородокисляющий бактериопланктон: распространение, численность и таксономический состав

Косинские озера расположены к юго-востоку от центра г. Москвы в Восточном административном округе, на территории района Косино-Ухтомский, который находится непосредственно за Московской кольцевой автодорогой (МКАД). Район, в котором расположены Косинские озера, представляет собой водораздельное пространство, локализованное на Мещерской низменности между двумя реками – Москвой и Пехоркой. Гидрологические условия района Косино определяются приуроченностью его к центральной части Московского артезианского бассейна. Естественными дренами являются маленькие речки и ручьи: Рудневка и впадающая в нее речка Банная канавка, а также речка Никольская канава. Площадь их водосбора невелика и ограничивается МКАД и невыраженным водоразделом с Банной канавкой (Разработка концепции благоустройства озера Святое и его санитарно-защитной зоны на Косинской заповедной территории, 1997). Исследования ископаемой фауны Косинских озер, проведенные И.И. Месяцевым (1924) позволили ему сделать вывод о том, что истинно ледниковым, т.е. непрерывно существующим в течение всего послеледникового времени, среди трех озер является только оз. Белое. Озера Черное и Святое, вероятно, существовали в ближайшее к ледниковому периоду время, но в течение послеледникового периода пересыхали, и озерные отложения предыдущего периода выветривались и уничтожались. При этом оз. Черное пересыхало по крайней мере один раз, а оз. Святое – не менее трех раз (Месяцев, 1924).

Впервые упоминание о Косино встречается в 1410 г. в завещании князя Владимира Андреевича Серпуховского: «А из московских сел дал есмь княгине своей… Косино с тремя озеры». Эти озера в настоящее время именуются Святым, Белым и Черным. Согласно материалам Ю.А. Насимовича (2010), озера Черное и Белое расположены в бассейне речки Нищенки, а оз. Святое – в бассейне р. Пехорки. Сток из оз. Святого осуществляется на северо-восток – в р. Рудневку и далее в р. Пехорку, а сток из озер Черного и Белого – через Косинский ручей, далее через р. Пономарку и р. Нищенку. В 1950-х – 1960-х годах озера Белое и Черное были соединены каналом длиной около 40 метров. В северной, наиболее мелководной части оз. Черного находятся залитые водой торфоразработки (Насимович, 2010), на которых добывали торф во время Великой Отечественной войны.

Оз. Святое находится на расстоянии около 500 метров к востоку от оз. Белого (Рисунок 2.1). В тридцатых годах прошлого века уровень оз. Святого был искусственным путем сильно понижен. На окружающем озеро кольце торфяников, после последовавшего за этим их осушения, проводились торфоразработки. Рисунок 2.1 – Расположение Косинских озер, стрелками показаны места отбора проб.

С целью изучения гидробиологического режима Косинских озер в 1908 г. на оз. Белом профессором зоологии и директором зоологического музея Московского Университета Г.А. Кожевниковым была основана Косинская биологическая станция. Это место для научной станции было выбрано в связи с существенными различиями оз. Белого и двух соседствующих с ним озер по трофности, видовому разнообразию флоры и фауны, составу донных отложений. Усилиями Г.А. Кожевникова в 1923 г. Косино становится территорией Косинского Государственного заповедника, который стал упоминаться в одном ряду с пятью первыми заповедниками нашей страны: Астраханским, Кавказским, Крымским, Пензенским, Ильменским.

В 1924 г. Косинскую биологическую станцию возглавил известный отечественный географ-гидролог, доктор географических наук, профессор, основатель советской лимнологической школы, Леонид Леонидович Россолимо. Он расширил исследования, проводимые сотрудниками станции на озерах, включил в них гидрологические и гидрохимические наблюдения. В 1924 г. была организована кафедра гидробиологии в Московском Университете, а Косинская гидробиологическая станция стала базой для летней практики студентов. Также, в 1924 г. был выпущен первый том «Трудов Косинской биологической станции Московского общества испытателей природы». В 1931 г. станция перешла в ведомство Гидрометеорологического комитета СССР, и стала носить название Косинская лимнологическая станция. В 1932 – 1933 гг. по совместительству, а с 1935 г. по 1939 г. – на постоянной основе, на Косинской лимнологической станции работал Георгий Георгиевич Винберг, впоследствии – член-корреспондент АН СССР, президент Всесоюзного гидробиологического общества АН СССР, заслуженный деятель науки РСФСР, профессор, заведующий лабораторией пресноводной и экспериментальной гидробиологии Зоологического института АН СССР. С его именем связано несколько важных научных разработок в области биологии и, в частности, гидробиологии. Г.Г. Винберг внес огромный вклад в становление и развитие балансово-энергетического продукционного подхода в гидробиологии (Шадрин, 2010). Именно на оз. Белом 25 мая 1932 г. им был впервые опробован метод светлых и темных склянок, ставший впоследствии классическим методом определения баланса органических веществ в водоемах. Также, Г.Г. Винберг на оз. Белом с помощью кислородного метода исследовал вклад в деструкционные процессы различных групп гидробионтов, в том числе и бактериопланктона (Винберг, 1953).

В 1931 – 1941 гг. на лимнологической станции в Косино лабораторией заведовал Сергей Иванович Кузнецов, будущий член-корреспондент АН СССР (1960), лауреат Государственной премии СССР (1985), лауреат медали Науманна Международного Лимнологического Общества (1971). Он внес огромный вклад в изучение роли микроорганизмов в круговороте веществ в озерах, в том числе и на примере оз. Белого в Косино (Кузнецов, 1952, 1970, Кузнецов, Саралов, Назина, 1985).

До Великой Отечественной войны Косинские озера мало подвергались влиянию человека. Только в оз. Белое, на берегу которого было расположено село Косино, могли попадать бытовые стоки. Озера Черное и Святое находились в лесу и не испытывали антропогенного влияния. Вода оз. Святого считалась целебной и даже святой, благодаря которой озеро и получило свое название. В 1942 г. заповедник прекратил свое существование, а на оз. Черном был открыт карьер по добыче торфа. В 1986 г. подмосковный район Косино был включен в состав г. Москвы, в связи с чем антропогенное воздействие на Косинские озера значительно возросло.

Выделение чистых культур углеводородокисляющих бактерий, их описание и таксономический анализ

Несмотря на то, что нитраты присутствовали в воде оз. Белого постоянно, нитриты отсутствовали в октябре 2012 г., а в остальные сроки наблюдений их содержание в воде озера варьировало от менее 0,04 до 0,12 мг/л, в среднем составив 0,06 мг/л (Таблица 3.3), что почти в четыре раза превысило среднее содержание нитритов в воде оз. Святого. Согласно ГОСТ 17.2.1.04-77, по концентрации нитритов воды оз. Белого попадали в разные сроки наблюдений в градации от олигосапробных до -мезосапробных (Таблица 3.4).

Фосфаты в воде оз. Белого, так же, как и в оз. Святом, присутствовали постоянно, а их концентрации варьировали от 0,022 до 0,330 мг/л, в среднем составив 0,135 мг/л (Таблица 3.3). Таким образом, среднее содержание фосфатов в воде оз. Белого оказалось в 2,5 раза выше такового в оз. Святом. Относительно высокие концентрации фосфатов были обнаружены в оз. Белом в те же сроки наблюдений, что нитратов и нитритов, а именно в подледный период, а минимальные – в конце вегетационного периода. Это вполне объяснимо, поскольку фосфаты наряду с нитратами и аммиачным азотом, являются такими же важными и часто лимитирующими рост фитопланктона и бактерий биогенными элементами, которые интенсивно потребляются этими группами организмов в периоды их массового развития. Полученные нами данные о содержании фосфатов в воде оз. Белого в 2011 – 2012 гг. оказались несколько ниже таковых, наблюдавшихся в 1996 и 1997 гг., когда они составили 0,4 и 0,5 мг/л соответственно (Таблица 2.2). По содержанию фосфатов воды оз. Белого в большинстве случаев могут быть охарактеризованы, согласно ГОСТ 17.1.2.04-77, как -мезосапробные (Таблица 3.4).

Значения БПК5 для вод оз. Белого в среднем за все сроки наблюдений составили 2,98 мг/л при колебаниях от 1,2 до 4,6 мг/л (Таблица 3.3), практически такое же среднее значение БПК5 было отмечено для вод оз. Святого (Таблица 3.1). Обнаруженное нами в феврале 2011 г. максимальное значение БПК5 (4,6 мг/л) оказалось близко к таковому в 1996 г. (4,9 мг/л) (Таблица 2.1). Согласно ГОСТ 17.1.2.04-77, воды оз. Белого на основании значений БПК5 попадают в градации от -мезосапробных до полисапробных (Таблица 3.4).

Величины ПО в поверхностном слое воды оз. Белого изменялись в пределах от 3,70 до 8,13 мг/л, составив, в среднем 5,77 мг/л (Таблица 3.3) – почти в 2 раза ниже среднего значения этого показателя в оз. Святом (Таблица 3.1), что указывает на более низкое содержание в водах оз. Белого ОВ в целом. Исходя из величин процентного соотношения БПК5/ПО, которые варьировали от 22 до 98%, составив в среднем 54%, можно заключить, что в составе этого ОВ примерно половину, а иногда и большую часть составляло легкоокисляемое ОВ, возможно – антропогенного происхождения. Для сравнения, в пробах воды из оз. Святого средняя величина соотношения БПК5/ПО составила только 37%, т.е. там в составе ОВ чаще преобладали трудноразлагаемые соединения, скорее всего – природного происхождения. Полученные нами данные по величинам ПО близки к таковым, наблюдавшимся в 1967 г. (Шилькрот, 1967), когда они варьировали от (4 – 5) мг/л зимой до 10 мг/л в конце лета. Согласно ГОСТ 17.1.2.04-77, воды оз. Белого по величинам ПО попадают в категорию чистых, и относятся либо к ксеносапробному, либо – к олигосапробному типу (Таблица 3.4).

В целом, по гидрохимическим показателям воды оз. Белого, так же, как и оз. Святого, в зависимости от сроков наблюдений и выбранного показателя, попали в разные классы сапробности, а, следовательно, и степени загрязнения, от ксеносапробных, очень чистых вод, до полисапробных или грязных. Если при оценке качества вод озера учитывать только «худшие» для водоема значения гидрохимических показателей за все сезоны, кроме неисследованного нами летнего, воды оз. Белого попадали в классы грязных вод (по четырем показателям), загрязненных вод (по одному показателю) и по двум показателям (концентрации нитратов, а также – сероводорода и сульфидов в воде) – в категорию чистых вод (Таблица 3.4). Если же брать за основу только «лучшие» значения гидрохимических показателей, то на основании семи из них воды оз. Белого можно классифицировать как чистые и только по одному показателю (БПК5) – как загрязненные. Таким образом, по «лучшим» значениям гидрохимических показателей воды озер Белого и Святого оказались на одном уровне, тогда как по «худшим» показателям в категории загрязненных и грязных вод оз. Белое попало только по пяти показателям, тогда как оз. Святое – по семи. Однако, это не позволяет утверждать, что качество воды в оз. Белом лучше, чем в оз. Святом.

Значения рН воды оз. Черного колебались от 7,19 до 8,18, в среднем составив 7,75 (Таблица 3.5). Согласно более ранним данным (Дексбах, 1925), величины рН, определенные колориметрическим методом на поверхности и у дна оз. Черного, составляли, 7,6 и 7,0 соответственно. Таким образом, рН воды озера за прошедшие годы изменился незначительно.

Концентрации органического азота в оз. Черном варьировали от 0,55 до 2,70 мг/л, и в среднем составили 1,26 мг/л (Таблица 3.5). Наибольшее количество этого биогена в воде было обнаружено в апреле 2012 г., в подледный период при низкой концентрации растворенного в воде кислорода. По среднему содержанию органического азота оз. Черное заняло промежуточное положение между озерами Святым и Белым.

Концентрации растворенного в воде кислорода колебались в оз. Черном от 0,1 до 11,5 мг/л, и в среднем составили 6,5 мг/л (Таблица 3.5). Очень низкие концентрации кислорода (0,1 мг/л), которые оказались намного ниже установленного норматива (4,0 мг/л), были отмечены в подледный период, в феврале 2011 г. и в начале апреля 2012 г. В этот период в оз. Черном были обнаружены очень высокие концентрации сероводорода и сульфидов (более 2 мг/л), а также наиболее высокие значения БПК5 (более 6 мг/л) и ПО (более 7 мг/л). В двух других Косинских озерах концентрации растворенного в воде кислорода даже в подледный период были более чем на порядок выше, чем в оз. Черном. Согласно ГОСТ 17.1.2.04-77, по величинам процентного насыщения кислородом воды оз. Черного в разные сроки наблюдений попадали в категории от олигосапробных до полисапробных (Таблица 3.6).

Присутствие нитратов в воде оз. Черного не удалось обнаружить дважды – в мае и октябре 2011 г., так же, как и в оз. Святом. В эти же сроки наблюдений в воде не было обнаружено аммонийного азота (Таблица 3.5), что было связано, скорее всего, с практически полным потреблением к этому времени данных источников азота фитопланктоном и микроорганизмами. В остальные сроки наблюдений содержание нитратов в воде оз. Черного изменялось от 0,22 до 0,70 мг/л, составив в среднем за весь срок наблюдений 0,24 мг/л. Это значение практически в два раза ниже среднего содержания нитратов в водах оз. Святого и в восемь раз ниже такового в оз. Белом. Невысокие концентрации нитратов в 1930-х гг. в летний период были отмечены С.И. Кузнецовым – они составили от 0 до 0,22 мг/л на поверхности и у дна соответственно (Кузнецов, 1952).

Как и воды озер Святого и Белого, на основании концентрации нитратов, согласно ГОСТ 17.1.2.04-77, воды оз. Черного попадали в категорию ксеносапробных (Таблица 3.6).

Нитриты в водах оз. Черного присутствовали во все сроки наблюдений, кроме ноября 2011 г., а их концентрации колебались от менее 0,017 до 0,062 мг/л, составив в среднем за весь период наблюдений 0,027 мг/л (Таблица 3.5). Сходное содержание нитритов в водах оз. Черного (0,02– 0,09) мг/л было обнаружено также и в 1996 – 2010 гг. (Таблица 2.3). В оз. Белом среднее содержание нитритов в воде было в два раза выше, а в оз. Святом – почти в два раза ниже, чем в оз. Черном. По ГОСТ 17.1.2.04-77 в большинстве случаев, кроме февраля 2011 г., воды оз. Черного были отнесены в категорию олигосапробных (Таблица 3.6).

Регрессионный анализ по методу Distanse Based Linear Moduling

Лидирующее положение оз. Белого среди Косинских озер по среднему содержанию Хл а в воде, а значит – и его более высокую трофность, подтверждает сопоставление средних величин концентраций этого пигмента для каждого из озер за три года наблюдений: для оз. Белого этот показатель достоверно превысил таковые для озер Святого и Черного. При этом два последних озера по усредненным за три года значениям Хл а достоверно не различались.

При оценке трофности Косинских озер согласно существующим классификациям (Винберг, 1960; Китаев, 1985; OECD, 1982) нами было отдано предпочтение среднегодовым и средним за три года значениям концентраций Хл а. Это было сделано ввиду сильных колебаний концентраций Хл а в Косинских озерах даже в пределах одного и того же сезона, из-за чего среднесезонные значения этого показателя имели очень большие доверительные интервалы. По этой причине они попадали в весьма разные градации трофности. При использовании для классификации только среднегодовых и средних за три года концентраций Хл а было установлено, что практически однозначно эвтрофным является только оз. Белое, тогда как озера Черное и Святое могут быть классифицированы как озера переходного типа, статус которых в 2010 – 2012 гг. варьировал от мезотрофного до эвтрофного, оставаясь на данном этапе все еще несколько ближе к мезотрофному.

Как и в начале ЗГС 2012 г. на Косинских озерах, в Забайкальском мезотрофном оз. Арахлей содержание Хл а в начале подледного периода также было довольно высоким, а к концу зимы снижалось (до 1,5 мг/м3) (Корякина, 2009). В апреле в связи с прогревом воздуха, таянием снега на поверхности льда и начинающейся биологической весной активизировалась вегетация фитопланктона, что приводило к увеличению содержания Хл а в воде. Такое явление несколько раз наблюдалось нами на разных Косинских озерах: в ВЛС 2010 г. на Белом и Черном озерах, в 2011 г. – на озерах Белом и Святом. Сходным образом с периодом ЗГС 2011 г. на Косинских озерах, в оз. Арахлей в более снежную зиму концентрация Хл а была минимальной за период его исследований. Однако в апреле снова подо льдом наблюдалась вспышка развития фитопланктона, и концентрация Хл а достигала максимального за год значения (Корякина, 2009).

Наиболее низкая активность фитопланктонного сообщества на основании значений Фео% для всех трех озер была отмечена в период ЗГС 2011 г., а наиболее высокая – в периоды ОС 2011 г. Более сходными по динамике изменений среднесезонных величин соотношения Фео% оказались озера Святое и Белое – в них направленность изменений этого показателя в большинстве случаев совпадала. Более низкие среднегодовые значения Фео%, как и в случае показателя Хл а, были рассчитаны для оз. Черного – в 2010 и 2012 гг. это озеро достоверно отличалось более низкой процентной долей феофитина и от оз. Святого, и от оз. Белого, а в 2011 г. такие достоверные различия были обнаружены только с оз. Святым (Рисунок 3.11).

Средние значения соотношения концентраций хлорофилла а и феофитина (Фео%), рассчитанные за каждый гидрологический сезон, за каждый гидрологический год и за все три года наблюдений по данным для каждого из трех Косинских озер за период 2010 – 2012 гг. Сравнение средних за весь трехлетний период наблюдений величин показало такой же результат – в оз. Черном средняя за три года величина Фео% была достоверно ниже, чем в каждом из двух других Косинских озер (Рисунок 3.11). Сравнение средних трехлетних величин соотношения Фео% показало, что в оз. Черном значения этого показателя были достоверно ниже, чем в озерах Белом и Святом, для которых средние значения этого показателя достоверно не различались.

Таким образом, из всех трех Косинских озер по состоянию фитоцена наиболее выделялось оз. Черное – как достоверно наиболее низкими среднесезонными, среднегодовыми величинами соотношения Фео% в 2010 и 2012 гг., так и наименьшим средним значением этого показателя за три года, что свидетельствует о наиболее стабильном развитии фитоцена в этом водоеме в период наших наблюдений. Сезонная изменчивость концентраций Хл а, если брать в расчет неусредненные за сезон значения этого показателя, была наиболее выражена в оз. Святом, в меньшей степени – в оз. Белом, и еще в меньшей – в оз. Черном. По времени наступления годовые максимумы значений этого показателя совпали для всех трех озер только однажды за три года наблюдений – в период гидрологической зимы 2012 г.

Достоверные межгодовые различия между среднегодовыми концентрациями Хл а в Косинских озерах в период 2010 – 2012 гг. отсутствовали, за исключением одного случая, когда достоверная разница между значениями этого показателя в 2011 и 2012 гг. была обнаружена, но только для оз. Черного. По среднегодовым концентрациям Хл а достоверно отличалось в большую сторону от двух других озер только оз. Белое, и только в 2010 г., оно же достоверно отличалось в большую сторону от двух других озер по средней концентрации Хл а в воде за три года наблюдений.

В состав микробиологических показателей, которые в течение трех лет регулярно определяли в каждом из Косинских озер, входили: общая численность бактерий (ОЧБ) и численность по прямому счету бактерий с активной электронтранспортной цепью (ЦТХ+Б), и их доля от ОЧБ, а также численность по посеву эвтрофных (ЭвБ) и углеводородокисляющих бактерий (УОБ). Определяли также потенциальную УВ-окисляющую активность бактериопланктона при температурах in situ.

Величины ОЧБ в поверхностном слое вод оз. Святого за весь период исследований изменялись в пределах от (1,15±0,05) млн. кл./мл (в апреле, в период ВЛС 2011 г.) до (14,22±0,23) млн. кл./мл (в сентябре, в период ОС 2012 г.) (Таблица П.4). Среднее за три года значение этого показателя составило (4,31±0,39) млн. кл./мл. В 2010-м гидрологическом году изменения значений ОЧБ в водах оз. Святого составили от (1,67±0,10) млн. кл./мл до (5,53±0,14) млн. кл./мл, при среднегодовом значении (3,52±0,39) млн. кл./мл (Таблица П.4). Минимальные величины ОЧБ были обнаружены в марте 2010 г. (1,67 млн. кл./мл), а сезонный максимум (4,54 млн. кл./мл) был отмечен весной, в середине апреля. Этот пик, однако, несколько уступал по величине годовому максимуму 2010 г. (5,53 млн. кл./мл), который был определен летом, в начале августа. В этот же срок наблюдений была отмечена и максимальная температура воды в оз. Святом. После достижения годового максимума, значения ОЧБ в озере непрерывно снижались вместе с уменьшением температуры воды вплоть до февраля (Рисунок 3.12). Таким образом, в 2010-м гидрологическом году было отмечено два максимума ОЧБ: меньший, сезонный – в апреле, и больший, годовой – в начале августа, а также один годовой минимум – в середине марта.