Изучение влияния гидрофизических факторов на фитопланктон двух малых эвтрофных водоемов с помощью флуоресцентного анализа

В континентальных водоемах сосредоточен основной запас доступной пресной воды гидросферы. Озера и водохранилища влияют на климатические особенности местности, являются средой обитания живых организмов и активно используются человеком в процессе жизнедеятельности. Суммарная площадь поверхности небольших водоемов нашей планеты почти в 200 раз превышает общую площадь поверхности крупных, что определяет их важную роль для биосферы и человека. В XXI веке в связи с усилением антропогенного влияния на окружающую среду возникла проблема эвтрофирования континентальных водоемов, сопровождающееся «цветением» воды, обусловленным массовым развитием фитопланктонных микроводорослей, к которым относятся цианобактерии (сине-зеленые водоросли) родов Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Oscillatoria (Planktothrix), и рядом представителей других отделов. К основным негативным последствиям «цветения» относятся: летние ночные заморы рыб, вторичное загрязнение при разложении фитопланктона, ухудшение рекреационных качеств водоема, заболевания кожи у купальщиков, болезни органов пищеварения у скота после водопоя, исчезновение водоплавающих птиц и др. Эвтрофирование является следствием поступления в водоем биогенных элементов, в первую очередь фосфора, в результате чего происходит бурный рост микроводорослей. Не смотря на масштабные исследования, проводимые гидроэкологами разных стран достаточно длительное время (Гусева, 1961, 1965; Примайченко, Литвинова, 1968; Сиренко, 1969, 2002; Paerl, 1988; Reynolds, 1998), причины массового развития микроводорослей в водоемах до конца не известны. По общепринятой гипотезе (Paerl, 1988) считается, что цветению способствуют следующие факторы: высокая биогенная нагрузка на водоем при низком (<30:1) соотношении минерального азота и фосфораотсутствие крупных дафний-альгофаговустойчивая вертикальная стратификация водыотносительно высокая температура воды и надводная освещенностьблагоприятный химический состав. На практике оказалось, что снижение внешней и внутренней фосфорной нагрузки на водоем часто не приводит к желаемому результату: снижению концентрации фитопланктона и увеличению прозрачности воды (Гладышев, 2001).

В окрестностях г. Красноярска расположен ряд малых водохранилищ (прудов), имеющих рекреационное значение для горожан в летний период, но подверженных «цветению» цианобактерий. С 1995 г. группа ученых из Красноярского государственного университета, Института биофизики СО РАН, Красноярского государственного аграрного университета, занялась поиском причин возникновения «цветения». В качестве объектов исследований были выбраны «цветущий» пруд Бугач и «нецветущий» пруд Лесной. Пруд Лесной стратифицирован по температуре, концентрация азота и соотношение азота и фосфора низкие, крупные дафнии полностью отсутствуют. Пруд Бугач, часто подверженный ветровому перемешиванию, не стратифицирован по температуре, в период «цветения» водоема доминирует дафнии Иаркта сиси1Ша и I). ongispina, которые могут потенциально потреблять цианобактерий. Концентрация минерального фосфора в Лесном пруду существенно превышает порог лимитирования для цианобактерий, хотя в среднем ниже, чем в пруду Бугач. Согласно общепринятым представлениям, развитие цианобактерий должно происходить в пруду Лесной, но данное явление отмечается в пруду Бугач. В ходе исследований было проверено предположение о том, что химический состав воды и донных отложений определяет развитие цианобактерий. В результате проведенных экспериментальных исследований специфический гидрохимический фактор в воде и донных отложениях данных водоемов, стимулирующий рост цианобактерий не выявлен (Гладышев и др., 2000, 2001а, 20 016, 2002; Кравчук, 2004). Было выдвинуто предположение о том, что гидрофизические факторы являются основными в инициации «цветения» и смене доминирующих видов фитопланктона. В связи с этим появилась необходимость проведения исследований, направленных на изучение влияния гидрофизических факторов на структурно-функциональные характеристики фитопланктона в эвтрофных водоемах. В качестве основных гидрофизических факторов рассматривают силу ветра, интенсивность падающей солнечной радиации, атмосферные осадки, температуру воды (Бреховских, 1988; Девяткин, 2000), которые могут оказывать как непосредственное влияние на рост и развитие фитопланктона, так и опосредованное через обеспеченность биогенными элементами, то есть гидрохимию (Сиренко, 1969; Савенко, 1996). Натурные исследования воздействия гидрофизических факторов на фитопланктон характеризуются непрерывными длительными наблюдениями, производимыми с высокой частотой (Девяткин и др., 2000а, 20 006, 2001). Проведение эффективного и оперативного мониторинга количественных и качественных параметров фитопланктона — биомассы, таксономического состава и физиологического состояния клеток в режиме реального времени стало возможным с внедрением в практику гидроэкологических исследований системы флуоресцентной диагностики фитопланктона (СФДФ). Данная методика была разработана в Красноярском государственном университете на кафедре физиологии растений и биотехнологии коллективом ученых, в состав которого вошли Гаевский H.A., Колмаков В. И., Гехман A.B., Попельницкий В. А., под руководством профессора В. М. Гольда. Для изучения влияния гидрофизических факторов — силы ветра, интенсивности солнечной радиации и атмосферных осадков на состав и функционирование фитопланктона эвтрофных водоемов с 2002 г. проводятся параллельные исследования на двух модельных водоемах — пруду Бугач и пруду Лесной с использованием СФДФ. Цель диссертационной работы: исследовать влияние гидрофизических факторов на флуоресцентные характеристики фитопланктона двух малых эвтрофных водоемов. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Оценить влияние ветрового перемешивания на флуоресцентные характеристики (показатель фотосинтетической активности и содержание хлорофилла «а», полученного при измерении сигнала флуоресценции) эукариотического фитопланктона и цианобактерий пруда Бугач, обладающих разными механизмами светозависимой регуляции плавучести.

2. Определить роль гидрофизических факторов — силы ветра и интенсивности падающей солнечной радиации — в инициации «цветения» цианобактерий в ходе сравнительных исследований, проводимых на пруду Бугач и пруду Лесной.

3. Оценить совместное влияние интенсивности падающей солнечной радиации и ветрового воздействия на содержание хлорофилла «а» и показатель фотосинтетической активности — относительную вариабельную флуоресценцию цианобактерий в пруду Бугач.

На защиту выносятся следующие основные положения:

В небольшом нестратифицированном водоёме ветровое перемешивание в весенний период оказывает положительное воздействие на содержание хлорофилла «а», поскольку способствует снижению седиментации эукариотического фитопланктона и подъёму акинет цианобактерий со дна в водную толщу.

В нестратифицированном водоёме в течение вегетационного сезона ветровое перемешивание оказывает негативное влияние на показатель фотосинтетической активности фитопланктона, не позволяя эукариотическим микроводорослям и цианобактериям занять горизонт оптимальный для фотосинтеза.

Проведённое с помощью флуоресцентного анализа исследование фитопланктона двух эвтрофных водоёмов свидетельствует в пользу гипотезы о решающей роли ветрового перемешивания и интенсивности падающей солнечной радиации в инициации «цветения» цианобактерий в нестратифицированном, подверженном интенсивному ветровому воздействию водоёме.

Заключение

.

Исследование показало, что в неглубоком нестратифицированном водохранилище (пруду) Бугач ветровое перемешивание в весенний период положительно влияет на содержание хлорофилла «а» фитопланктона, поскольку переносит перезимовавшие покоящиеся стадии, клетки и колонии из донных отложений в толщу воды и снижает их седиментацию. Весеннее перемешивание при последующем повышении температуры воды способствует «цветению» цианобактерий. В течение всего вегетационного периода ветровое перемешивание негативно влияет на показатель фотосинтетической активности фитопланктона, не позволяя клеткам эукариотических микроводорослей и цианобактерий занимать горизонт оптимальный для фотосинтеза. Анализ световых кривых относительной вариабельной флуоресценции диатомовых микроводорослей и цианобактерий показал снижение фотосинтетическсй активности в условиях ветрового воздействия у данных групп фитопланктона. В условиях высокой интенсивности падающей ФАР (> 200 Вт/м2) обладающие газовыми вакуолями нитчатые и колониальные цианобактерии получают преимущество по сравнению с планктонными эукариотическими водорослями. В пруду Бугач в поверхностном слое отмечена прямая корреляционная связь первичной продукции цианобактерий с интенсивностью падающей солнечной радиации в области ФАР в летне-осенний период. Стратифицированный пруд Лесной не шдвержен «цветению» цианобактерий, поскольку не имеет выраженной литоральной зоны и располагается в лесном массиве, который защищает от интенсивного ветрового перемешивания. Полученные результаты могут быть использованы для понимания причин возникновения «цветения» цианобактерий в малых водоёмах. Изучение влияния гидрофизических факторов на структурно-функциональные характеристики фитопланктона в естественных условиях водоемов требует непрерывных натурных наблюдений, производимых с высокой частотой. Реализация подобных исследований стала возможна с внедрением в практику гидроэкологических исследований методов экологической биофизики. Использование флуоресцентной диагностики фитопланктона позволяет в режиме реального времени получить данные о количестве, распределении и продукционных возможностях фитопланктона.