Модуль 1 Экологическая лимнология и управление качеством воды

Модуль 1. Экологическая лимнология и управление качеством воды. Задереев Егор Сергеевич ведущий научный сотрудник Институт биофизики СО РАН к. б. н. , доцент egor@ibp. ru

Биогенные элементы

Биогенные элементы Все организмы «сделаны» , в частности, из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Соотношение (стехиометрия) этих пяти биогенных элементов в биомассе водных организмов, особенно водорослей, достаточно стабильно. C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 Соотношение Рэтфилда (Redfield 1958)

Соотношение Редфилда: A) C: N: P= 106: 1; B) в воде C) в эстуариях D) во взвешенном веществе

Закон минимума Либиха Justus von Liebig (1803 -1873)

Закон минимума Либиха. . «рост растения зависит от количества того источника питания, который находится в минимальном количестве. . » Из 5 перечисленных биогенных элементов наиболее важны N и P, так как они часто истощаются. Тогда как C, O и H хоть и требуются в больших количествах, но они редко (C) или никогда (O, H) не истощаются в водоемах.

Фосфор как лимитирующий элемент Элементарный состав растений Наличие в окружающей среде C 1000 -100: N 10: P 1 Редко лимитирует Состав сточных вод C 106 N 16 P 1 Лимитирует в I-ую во II-ую очередь C 6: N 4: P 1

Фосфорная нагрузка и концентрация водорослей в водоеме

Фосфор • За исключением условий сильного загрязнения наиболее важная форма неорганического фосфора ортофосфат (PO 4– 3) • Фосфор очень часто лимитирует развитие водной экосистемы • Обычно >90% фосфора находится в живом и мертвом органическом веществе

Формы фосфора Взвешенный P 1. Организмы 2. Скалы, почва, осадки (вулканические скалы – мало фосфора, осадочные породы – много) 3. Адсорбированный Растворенный P Неорганический 1. Ортофосфат (PO 43 -) 2. Полифосфат (порошки) 3. Органические фосфаты (в основном коллоидный, менее доступен)

Транспорт биогенных элементов • Растворенные • Коллоидные • Взвешенные

Цикл фосфора • Выветривание фосфора из горных пород, в основном аппатиты • Некоторые растворенные в воде соединения фосфора имеют очень короткое время оборота, особенно неорганический ортофосфат • Большинство фосфора во взвешенной форме • Фосфат имеет высокое сродство к частицам (адсорбируется) • Зачастую наиболее важен антропогенный источник

Распределение фосфора Фосфат в живых растениях и тканях животных Фотичес кая зона В эпилимнионе фосфор быстро поглощается водорослями Термоклин Растворенный фосфат в воде Фосфат в иле Афотич еская зона Из осадков фосфор извлекается корнями растений и бентосом

Концентрация фосфора в эпилимнионе и продуктивность озера Продуктивность Общий P Ультраолиготрофное <5 мкг/л Олиго-мезотрофное 5 -10 Мезо-эфтрофное 10 -30 Эфтрофное 30 -100 Гиперотрофное >100 http: //www. lakeandwetland. com/florida-lakes/

Фосфор и качество воды A. Уровень P часто положительно коррелирует с продуктивностью водоема B. Вредные цветения водорослей C. Дефицит кислорода в гиполимнионе D. Фосфор очень трудно извлечь из водоема

Нагрузка P & Кислород Нагрузка P & Фитопланктон

Наличие кислорода влияет на доступность фосфора через ряд редокс-реакций Редокс реакции «Железная ловушка для фосфора» растворимость железа влияет на доступность фосфора • Fe 2+ переходит в Fe 3+ в присутствии кислорода • Fe 3+ переходит в Fe. OH и Fe. PO 4 До тех пор пока в гиполимнионе есть кислород, любой фосфат в донных отложениях будет поглощаться железной ловушкой. Как только гиполимнион становится аноксигенным происходит высвобождение фосфора и он вовлекается в круговорот.

Серная ловушка для железа Аноксигенные донные отложения Fe. S не растворяется и осаждается из раствора • Интенсивное осаждение Fe. S приводит к пониженному содержанию железа в воде, что увеличивает доступность фосфора для водорослей. • Увеличивается выход фосфатов

Фосфор в осадках • Зависит от количества O 2 • O 2 зависит от трофического статуса и морфологии озера • P выходит из донных отложений в аноксигенных условиях • P также может быть освобожден корневой растительностью или бентосом

Реакция водорослей на перемешивание озера Шира After overturn C seston, mg/l Before overturn 2007 2008 2009 2010 2011 2015 Rogozin et al. , 2017

Азот А. Считается вторым по важности биогенным элементом в озерах с точки зрения лимитирования первичной продукции B. Бывает в разных формах и энергетических состояниях (газ, органический и неорганический) Литосфера 97. 6% Атмосфера 2. 3% Гидросфера и Биосфера 0. 1% C. Может быть не только биогенным элементом, но и в некоторых формах токсичным для организмов.

Формы азота A. Растворенный молекулярный азот (N 2) B. Органический азот (растворенный и взвешенный) -Белки -Аминокислоты -Амины -Гуминовые соединения C. Неорганический азот (растворенный) -NH 4+ Аммоний -NO 2– Нитриты -NO 3– Нитраты

Источники и потери азота A. Источники 1. Осадки 2. Фиксация азота (биологическая и небиологическая) 3. Сток B. Потери 1. Утечка 2. Денитрификация (NO 3 => N 2) 3. Осаждение

Фиксация азота А. Газ N 2 в аммоний, энергетически дорогая реакция (химическая фиксация молекулярного азота в лаборатории требует 500 OC и давления в 100 атмосфер). B. Бактерии могут фиксировать азот. С. Освещение также фиксирует N 2 в NO 3 в атмосфере. D. Азотфиксирующие цианобактерии могут быть очень важны в цикле азота в озерах.

Как фиксируют азот люди? Проце сс Га бера (Ха бера) — промышленный процесс (изобретен Фрицем Габером и Карлом Бошем), в котором атмосферный азот «связывается» путём синтеза аммиака. Смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор под высоким давлением. За счет высокого давления равновесие в реакции N 2+3 H 2 ↔ 2 NH 3 смещается в сторону аммиака. В марте 1909 г. Ф. Габер впервые получил аммиак при 600°С и 17, 5 МПа, используя в качестве катализатора порошкообразный осмий. Результаты учёный передал в фирму BASF, которая построила в 1913 первый завод по синтезу аммиака. Аппаратуру для него разработал инженер К. Бош. Фриц Габер (1868 — 1934)

Как фиксируют азот бактерии? Фиксация азота в озере Титикака, Перу

а я аз от Ф ик са ци N 2 газ Цикл азота NH 4+ • Ассимиляция (образование органического вещества, например водоросли)

а я аз от ик са ци Ф NH 4+ R – NH 2 • Ассимиляция • Минерализация N 2 газ Цикл азота

Ассимиляция и аммонификация аммония • Ассимиляция – потребление и конверсия аммония в аминокислоты водорослями и бактериями • Аммонификация – конверсия органического N обратно в аммоний бактериями и животными

а а зо т ац ия Ф ик с N 2 gas Цикл азота NH 4+ R – NH 2 Ассимиляция Минерализация NO 2 Нитрификация NO 3 -

Нитрификация • Аэробная реакция, использование аммония в качестве источника энергии 2 NH 4+ + 3 O 2 → 2 NO 3 - • Необходимо: – Аммоний – Кислород – Нитрифицирующие бактерии (окисление аммония до нитрита (Azotobacter) и нитрита до нитрата (Nitrobacter)) • Приводит к потерям аммония из водной толщи

а я аз от Ф ик са ци N 2 gas Цикл азота NH 4+ R – NH 2 Ассимиляция Минерализация DNRA NO 2 Нитрификация NO 3 -

DNRA • Диссимиляционное восстановление нитрата до аммония • Перевод нитрата обратно в аммонийную форму, с помощью бактерий

N 2 gas Ф ик са ци я аз от а Цикл азота NH 4+ DNRA NO 2 Нитрификация а рат нит ия яц R – NH 2 Ассимиляция Минерализация Ас мил си NO 3 -

Ассимиляция и восстановление нитрата • Ассимиляция – строительство из нитрата аминокислот • Требует восстановления Азота • Более энергетически дорогая, чем ассимиляция аммония

Цикл азота и ел кс ае ац м и уд я об аз ре от ни а е) (с жи N 2 gas гае Де би ни ом т ас ри N 2 O су ф м : н (д Ф ит ра NO (разлагаем биомассу) (делаем биомассу) NH 4 + ик DNRA NO 2 Нитрификация т к “сжигаем” ата р аммоний для нит су) ия омас энергии ляц и R – NH 2 Ассимиляция/ Минерализация Ас ми лаем б си (де ац и ак о я ки сл NO 3 ит - ел ь)

Денитрификация • Нитрат как рецептор электрона в отсутствии кислорода • Сжигание сахаров с использованием нитрата как • источника окисления вместо кислорода Почти такое же эффективное как аэробное дыхание • Требования: – – Безкислородные условия Источник нитрата Источник углерода Денитрифицирующие бактерии

(разлагаем биомассу) (делаем биомассу) Де би ни ом т ас ри N 2 O су ф м mox Anam и ел кс ае ац м и уд я об аз ре от ни а е) (д Ф NH 4 + Цикл азота (с жи N 2 gas гае : н ик ит ра NO DNRA NO 2 Нитрификация т к “сжигаем” ата р аммоний для нит су) ия омас энергии ляц и R – NH 2 Ассимиляция/ Минерализация Ас ми лаем б си (де ац и ак о я ки сл NO 3 ит - ел ь)

Anammox – анаэробное окисление аммония NH 4+ + NO 2− → N 2 + 2 H 2 O. • Процесс открыт в 1999 году • Может быть ответственным за конвертацию 30 -50% азота в водных экосистемах • Очень медленная скорость роста • Бактерии Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (пресноводные) и Scalindua (морские). • Снижает продуктивность водных экосистем Культура anammox бактерий Kuenenia stuttgartiensis (Radboud University Nijmegen)

mox anam

Токсичные формы азота A. Нитраты/Нитриты – концентрация в питьевой воде >10 мг/л может вызвать заболевание Methemoglobinemia у новорожденных (проблема в некоторых сельскохозяйственных районах) (NO 2 связывается с гемоглобином сильнее чем O 2) -Может переходить в канцерогенный нитросамин в желудке B. Аммоний (особенно в форме NH 4 OH) токсичен для многих организмов • Соотношение NH 4+ vs. NH 4 OH зависит от p. H: p. H NH 4+ : NH 4 OH 6 3000: 1 7 300: 1 8 30: 1 9. 5 1: 1 Менее токсично Более токсично