Publication text
(PDF):
Read
Download
Введение
Каспийское море – самый крупный водоем морского типа, не имеющий связи с Мировым океаном. Являясь бассейном преимущественно рыбохозяйственного значения, Каспий располагает
не только богатым запасом рыбных ресурсов, но
и наличием важных транспортных водных путей, промышленных объектов, а также значительными разведанными и депонированными запасами углеводородного сырья.
По морфологическому строению и физико-географическим особенностям море делят на три части: Северный, Средний и Южный Каспий [1]. Особую значимость имеет северная часть Каспийского моря, где происходит нагул промысловых видов проходных и полупроходных рыб, а также сосредоточены запасы углеводородного сырья [2]. В то же время Северный Каспий имеет большое хозяйственное значение (добыча и транспортировка нефти, судоходство и т. д.). Северная часть Каспийского моря занимает около четверти всей акватории, при этом ввиду мелководности Северного Каспия (глубина не превышает 10 м) объем содержащихся в нем водных масс составляет 0,6 % общего объема Каспия [3]. Активное освоение ресурсов Северного Каспия вызывает необходимость всестороннего мониторинга состояния акватории уникального водоема [4]. Одним из наиболее важных направлений являются ежегодные исследования морской микробиоты [5].
Микробным сообществам принадлежит ведущая роль в круговороте всех биогенных элементов и процессах самоочищения водоема от различного рода загрязняющих веществ [6]. За счет деструкционной деятельности бактерий в морских экосистемах утилизируется 40–80 % органического углерода, создаваемого первичными продуцентами [7]. Гетеротрофные бактерии способны разлагать большинство антропогенных поллютантов. Кроме того, бактерии обладают способностью мгновенно реагировать на любые изменения в окружающей среде, возникающие под влиянием антропогенных факторов [8]. В связи с вышеперечисленным особую актуальность приобретает ежегодный мониторинг общей численности бактерий, численности нефтеокисляющего и сапротрофного бактерио-планктона, что позволяет оценить адаптивность экосистемы к антропогенной нагрузке.
Материалы и методы исследований
В рамках микробиологического мониторинга Северного Каспия изучали общую численность бактерий (ОЧБ), количество сапротрофного и нефтеокисляющего бактериопланктона, а также соотношение этих групп микроорганизмов в летне-осенние периоды 2013–2018 гг.
Всего для микробиологических и гидрохимических исследований было собрано и обработано более 300 проб воды и проведено более 2 000 анализов. Для определения сапротрофных микроорганизмов исследуемый объект высевали на питательный агар, для определения нефтеокисляющих бактерий – на среду Теппер с добавлением
1 % сырой нефти в качестве единственного источника углерода [9]. Общую численность бактерий в воде определяли методом прямого микроскопирования мембранных фильтров [9]. Содержание биогенных элементов в воде определяли фотометрическим методом с помощью спектро-фотометра КФК-3КМ [10].
Результаты исследований и обсуждение
Общая численность бактерий (ОЧБ) в водах Северного Каспия в период исследований
(2013–2018 гг.) изменялась в широких пределах (0,29–2,70 млн кл./мл), при этом с увеличением глубины Северного Каспия показатели ОЧБ снижались, минимальные значения ежегодно регистрировали в районе Мангышлакского порога. За период исследований 2013–2018 гг. среднегодовое значение общей численности бактерий составляло 1,35 млн кл./мл (табл. 1).
Таблица 1
Table 1
Средняя численность бактериопланктона в Северном Каспии
в летне-осенний период 2013–2018 гг.
Average number of bacterioplankton in the North Caspian Sea
in summer-autumn period in 2013-2018
Показатель Год исследований Среднегодовое значение
2013 2014 2015 2016 2017 2018
Общая численность бактерий, млн кл./мл 1,46 1,33 1,19 1,38 1,34 1,38 1,35
Сапрофитные бактерии, тыс. КОЕ/мл 50,94 1,66 1,67 7,44 2,01 1,29 10,83
Нефтеокисляющие бактерии, тыс. КОЕ/мл 8,28 0,21 0,63 1,28 0,53 0,36 1,88
Максимальное значение ОЧБ (1,46 млн кл./мл) отмечено в 2013 г. В 2014 г. концентрация ОЧБ падала, достигая минимального значения в 2015 г. (1,19 млн кл./мл). В 2016 г. регистрировали увеличение показателя ОЧБ (до 1,38 млн кл./мл) и его стабилизацию на этом уровне до конца периода исследований.
В Северном Каспии ОЧБ на протяжении всего периода исследований не претерпевала серьезных изменений и в среднем находилась в пределах 1,19–1,46 млн кл./мл. Согласно литературным данным [11], в начале XXI в. средние показатели ОЧБ в районе исследований отмечались на уровне
0,87–1,35 млн кл./мл. Сравнительный анализ показал, что несмотря на сохранившуюся тенденцию
к уменьшению ОЧБ с увеличением глубины моря
в период исследований произошло увеличение численности бактериопланктона. Рост ОЧБ мог быть обусловлен как изменением гидрологических и гидрохимических параметров Северного Каспия, так и увеличением антропогенного воздействия,
в том числе в результате активного освоения нефтегазовых месторождений.
Концентрация сапротрофов в водах Северного Каспия в период исследований варьировала от 0,20 до 210,00 тыс. КОЕ/мл, при этом количество сапротрофов снижалось по мере увеличения глубины акватории. Максимум численности сапротрофных бактерий (50,94 тыс. кл./мл) отмечен в 2013 г. В 2014 г. регистрировали снижение концентрации сапротрофов в 30 раз, до 1,66 тыс. КОЕ/мл. В период с 2014 по 2018 гг. концентрация сапротрофов варьировала незначительно, за исключением лета 2016 г., когда регистрировали повышение численности сапротрофного бактериопланктона до 7,44 тыс. КОЕ/мл.
В Северном Каспии высокие показатели концентрации сапротрофов отмечены только в 2013 г. Начиная с 2014 г. и до конца периода исследований количество гетеротрофного бактериопланктона существенно сократилось, резких колебаний численности сапротрофов не зарегистрировано. Численность гетеротрофных бактерий в Северном Каспии во многом зависела не только от гидрохимических
и биотических факторов, но и от стока р. Волги. Так, 2013 г. был наиболее многоводным, что оказало влияние на концентрацию гетеротрофного бактериопланктона в северной части Каспийского моря. При этом снижение численности гетеротрофного бактериопланктона на порядок в 2014 г. и ее стабилизация на уровне 2,81 тыс. КОЕ/мл свидетельствовало не только об активных процессах самоочищения морской среды, но и о стабилизации микробиологической обстановки в Северном Каспии.
Согласно литературным данным [12], в начале XXI в. средняя численность сапротрофов составляла 8,85 тыс. КОЕ/мл. В период 2013–2018 гг. концентрация сапротрофных бактерий составила 10,83 тыс. КОЕ/мл, однако следует учитывать значительное влияние на среднегодовую численность сапротрофов данных 2013 г., когда отмечены максимальные значения (см. табл. 1). В период 2014–2018 гг. среднегодовая концентрация сапротрофов в воде составляла 2,81 тыс. КОЕ/мл, что значительно ниже по сравнению с данными начала века. Снижение количества сапротрофов в воде на фоне повышения общей численности бактериопланктона может косвенно указывать на адаптацию бактериоценоза к увеличению антропогенной нагрузки на фоне расширения сфер хозяйственного использования Северного Каспия. Данная динамика изменения численности сапротрофов и бактериопланктона положительно влияет на микробиологическую обстановку в Северном Каспии, поскольку высокая доля сапротрофных бактерий в общем бактериопланктоне не только представляет потенциальную угрозу эпизоотическому состоянию гидробионтов ввиду широкого распространения среди сапротрофов условно-патогенных бактерий, но и указывает на свежее бактериальное загрязнение акватории и неспособность бактериоценоза
к самоочищению от аллохтонных компонентов.
Помимо численности общего бактериопланктона (ОЧБ) и сапротрофных бактерий определяли соотношение данных групп микроорганизмов, выраженное в виде коэффициента К, которое показывает степень эвтрофирования водоема (рис. 1).
Рис. 1. Соотношение общей численности бактерий (ОЧБ) и сапротрофных бактерий в Северном Каспии
Fig. 1. Ratio of total bacteria (TBN) and saprotrophic bacteria in the North Caspian
Так, согласно [13], если коэффициент К ниже
1 000, вода относится к категории «загрязненная», если коэффициент К превышает 1 000, вода относится к категории «чистая». Эвтрофирование Северного Каспия отмечено в 2013 и 2016 гг., когда регистрировали повышение доли сапротрофных бактерий в ОЧБ. В остальные периоды соотношение ОЧБ и сапротрофов соответствовало олиготрофному водоему. Во временном аспекте, по сравнению с данными начала XXI в., когда соотношение ОЧБ/сапротрофы составляло 132,20, среднегодовое значение коэффициента в период исследований увеличилось до 1 479,43, что указывало на улучшение микробиологической обстановки на акватории Северного Каспия за счет уменьшения загрязнения и эвтрофирования вод.
Еще одной важной группой гетеротрофного бактериопланктона являются нефтеокисляющие бактерии (НОБ). Численность НОБ в водах Северного Каспия уступала сапротрофам на протяжении всего периода исследований. Концентрация НОБ в период исследований варьировала от 0,05 до 32,00 тыс. КОЕ/мл. Максимальная средняя численность НОБ зарегистрирована в 2013 г.
В 2014 г. концентрация НОБ снизилась в 40 раз до минимального значения (0,21 тыс. КОЕ/мл). Начиная с 2015 г. численность НОБ несколько возросла и не претерпевала значительных изменений до конца периода исследований.
Аналогично сапротрофному бактериопланктону
в период исследований регистрировали снижение концентрации нефтедеструкторов (1,88 тыс. КОЕ/мл) по сравнению с данными начала XXI в. (5,98 тыс. КОЕ/мл) [12], что вполне закономерно, учитывая тесную связь двух групп бактериопланктона.
Кроме численности НОБ важными дополнительными показателями адаптивности микробиоты к загрязнению нефтяными углеводородами является соотношение численности НОБ и сапротрофов, выраженное в виде коэффициента Ку. Считается, что чем выше соотношение НОБ к сапротрофам, тем выше степень адаптивности бактериоценоза
к нефтяным углеводородам [14]. На обследованной акватории соотношение НОБ и сапротрофов в воде изменялось от 16,47 до 52,47 % (рис. 2).
Рис. 2. Соотношение сапротрофных и нефтеокисляющих бактерий в Северном Каспии
Fig. 2. The ratio of saprotrophic and oil-oxidizing bacteria in the North Caspian
Минимальное соотношение численности НОБ
к сапротрофам (16,47 %) регистрировали в 2013 г.,
в период, когда численность обеих групп была максимальной. Начиная с 2014 г. регистрировали устойчивое увеличение доли нефтедеструкторов в гетеротрофном бактериопланктоне вплоть до 2016 г., когда отмечен максимум (52,47 %). В дальнейшем соотношение нефтедеструкторов и сапротрофов не опускалось ниже 39 %. Следует отметить, что во временном аспекте соотношение нефтедеструкторов и сапротрофов в воде Северного Каспия сократилось почти в 2 раза, с 67 %, по данным начала XXI в. [12], до 37 % в период 2013–2018 гг. Такая трансформация гетеротрофного бактериопланктона носит двойственный характер. С одной стороны, высокая доля НОБ относительно сапротрофов может указывать на преобладание углеводородов в спектре питания бактерий и, как следствие, наличие нефтяного загрязнения акватории. С другой стороны, снижение доли нефтедеструкторов может сказаться на процессах самоочищения морской среды от нефтяных углеводородов. Однако несмотря на снижение доли нефтедеструкторов в гетеротрофном бактериопланктоне их соотношение по-прежнему находится на достаточно высоком уровне, поскольку, согласно литературным данным [14], в олиготрофных водоемах,
не подверженных нефтяному загрязнению, доля нефтедеструкторов не превышает 1–5 %.
Среднегодовая динамика ОЧБ, сапротрофных
и НОБ в водах Северного Каспия во многом зависела от водности и содержания биогенных веществ, в то время как температурный режим Северного Каспия не оказывал существенного влияния на бактериопланктон, поскольку средняя температура в летне-осенние периоды 21,94–24,55 °С соответствовала оптимуму развития большинства бактерий (табл. 2).
Таблица 2
Table 2
Гидрологические и гидрохимические показатели в воде Северного Каспия
в летне-осенний период 2013–2018 гг.
Hydrological and hydrochemical indicators in the water of the North Caspian
in the summer-autumn period in 2013-2018
Показатель Год исследований Среднегодовое значение
2013 2014 2015 2016 2017 2018
Годовой сток, км3 271,30 223,30 198,50 265,00 287,90 269,40 252,57
Температура, °С 23,45 21,97 24,55 24,50 23,62 22,30 23,40
Содержание фосфора, мкг/л 22,50 17,50 23,00 35,00 27,00 32,00 26,17
Содержание кремния, мкг/л 962,50 625,00 683,50 1 120,00 156,00 373,00 653,33
Содержание минерального азота, мкг/л 121,50 86,50 46,50 76,00 59,00 36,00 70,92
На развитие ОЧБ в большей степени оказы-вали влияние годовой сток Волги (r = +0,77) и содержание в воде минерального азота (r = +0,60). Влияние волжских вод на бактериоценоз Северного Каспия происходило не только в сфере обеспечения бактериопланктона биогенными и питательными веществами, но и с привнесением аллохтонной микробиоты, которую наряду с индигенными бактериями регистрировали в составе ОЧБ. Биогенные вещества, основным источником которых являлись волжские воды [3], также лимитировали развитие бактериопланктона, при этом наибольшее влияние оказывало наличие минерального азота, что подтверждалось высокой корреляционной связью
(r = +0,60). При этом влияние концентрации минерального фосфора и кремния на ОЧБ не отмечено (r = +0,25 и r = +0,24 соответственно).
Концентрация сапротрофных бактерий в Северном Каспии значительно меньше зависела от годового стока р. Волги (r = +0,38). При этом значимая положительная корреляция численности сапротрофов обнаружена только с азотом (r = +0,83), более слабая – с кремнием (r = +0,50). Количество НОБ тесно коррелировало с содержанием в воде минерального азота и крем-ния (r = +0,81). Зависимость бактериопланктона от волжского стока и содержания минерального азота вполне закономерны, поскольку именно источник азота является для бактерий лимитирующим элементом, а волжский сток является основным источником биогенов в водах Северного Каспия.
Заключение
Таким образом, сезонная динамика численности бактериопланктона Северного Каспия в период с 2013 по 2018 гг. во многом зависела от абиотических факторов, в частности уровня половодья
и содержания биогенных веществ. Максимум численности всех групп бактериопланктона приходился на 2013 г., однако уже в 2014 г. регистрировали значительное снижение концентрации сапротрофных и нефтеокисляющих бактерий, что указывало на перестройку бактериального сообщества Северного Каспия. В последующие годы количество данных групп бактерий варьировало незначительно, что свидетельствовало о стабилизации бактериоценоза. Следует отметить, что, в отличие от гетеротрофных групп бактериопланктона (сапротрофы
и нефтедеструкторы), общая численность бактерий в водах Северного Каспия в период исследований варьировала в более узких пределах. Повышение численности сапротрофов в 2013 и 2016 гг. на фоне минимальных изменений ОЧБ свидетельствовало об эвтрофировании водоема в данные годы, в том числе на фоне многоводия. Вместе с тем снижение доли сапротрофных бактерий в общей численности бактериопланктона, зарегистрированное в 2014–2015 гг.
и 2017–2018 гг., указывало на высокую адаптивность бактериоценоза Северного Каспия и выраженную способность к самоочищению, что также подтверждалось постепенным увеличением доли нефтеокисляющих бактерий среди общей массы гетеротрофов. В многолетнем аспекте, по сравнению с данными, полученными в начале XXI в., регистрировали улучшение микробиологической обстановки на фоне повышения общей численности бактериопланктона
с одновременным снижением количества сапротрофных и нефтеокисляющих бактерий, что свидетельствовало о снижении эвтрофикации вод Северного Каспия в период 2013–2018 гг.