Production Potential of the Chernavka Salt River (Elton Region)

T. A. Kanapatskiy; Канапацкий Т. А.; O. S. Samylina; Самылина О. С.; L. V. Golovatyuk; Головатюк Л. В.; I. I. Rusanov; Русанов И. И.; E. E. Zakharova; Захарова Е. Е.; V. V. Kevbrin; Кевбрин В. В.; T. D. Zinchenko; Зинченко Т. Д.; N. V. Pimenov; Пименов Н. В.

doi:10.31857/S0026365624020046

Production Potential of the Chernavka Salt River (Elton Region)

Authors: Kanapatskiy T.A.¹, Samylina O.S.¹, Golovatyuk L.V.²^,3, Rusanov I.I.¹, Zakharova E.E.¹, Kevbrin V.V.¹, Zinchenko T.D.², Pimenov N.V.¹
Affiliations:
1. Winogradsky Institute of Microbiology, Research Center of Biotechnology, Russian Academy of Sciences
2. Institute of Ecology of Volga Basin, Russian Academy of Sciences
3. Papanin Institute for Biology of Inland Waters, Russian Academy of Sciences
Issue: Vol 93, No 2 (2024)
Pages: 122-127
Section: SHORT COMMUNICATIONS
URL: https://journal-vniispk.ru/0026-3656/article/view/262484
DOI: https://doi.org/10.31857/S0026365624020046
ID: 262484

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Depending on the season, the primary production of planktonic communities determined by radiotracer analysis varied within a broad range, from 6 to 314 µg C/(L h). Primary production in cyanobacterial mats was 4.2‒10.9 × 10³ µg C/(dm³ h), and Chl a content varied from 6‒13 to 132‒140 mg Chl a/m². For the plankton, the highest values were revealed in summer (25‒46 mg Chl a/m³), with the maximum in August (223 mg Chl a/m³. High abundance of bacterioplankton (0.3‒7.4 × 10⁶ cells/mL) and massive growth of diatoms (0.15 × 10⁶ cells/mL) with predominance of the genus Chaetoceros were found. Sulfate reduction rates varied from 0.037 µmol S/(dm³ h) in the upper reach to 61.87 µmol S/(dm³ h) in the river mouth.

Keywords

primary production, sulfate reduction, plankton, cyano-bacterial communities, salt rivers, salt lake

Full Text

На севере прикаспийской низменности располагается самое крупное в Европе соленое самосадочное озеро Эльтон. Экосистема озера с большим градиентом солености представляет собой высокопродуктивный оазис жизни в суровых условиях резко континентального климата опустыненных степей (Golovatyuk et al., 2020).

Питание озера происходит за счет впадения 7 рек с разной соленостью (9.8‒335‰). В устьевых мелководных (2‒5 см) участках при смешении с рапой (300‒540‰) озера формируются условия для массового развития бентосных цианобактериальных сообществ (30‒45‰) (ЦБС) и альгобактериальных сообществ с диатомовыми водорослями (30‒80‰). ЦБС представляют собой цианобактериальные пленки и однолетние маты, развивающиеся на дне или всплывающие. Площадь покрытия осадков ЦБС при благоприятных условиях может достигать 100%. Верховья и рукава рек в дельтах могут пересыхать в засушливые сезоны, а скорость течения воды зависит от воздействия ветра (в устьевом участке часто обратное нагонное течение) и обводненности. Такой режим оказывает заметное влияние на гидрохимические параметры водной толщи и поверхностных осадочных отложений.

Важной характеристикой поверхностных горизонтов донных осадков рек Приэльтонья являются высокие показатели плотности зообентоса. Рекордные численности малощетинковых червей Potamothrix caspicus, ракушковых рачков Cyprideis torosa в отсутствии ихтиофауны становятся конечным трофическим звеном и источником питания аборигенных и перелетных водоплавающих птиц (Zinchenko et al., 2017; Gusakov et al., 2021).

В проводимых ранее исследованиях в мае и августе в приустьевом районе р. Чернавка радиоизотопным методом были измерены скорости первичной продукции, сульфатредукции, образования и окисления метана, а также методом высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК выявлены основные группы прокариотных микроорганизмов. (Канапацкий, 2018). При этом скорости первичной продукции в планктонном сообществе не были изучены. Поэтому целью данного исследования стало выявление естественного потенциала продуктивности микробных сообществ (планктонных и бентосных), являющихся пищевым ресурсом зообентоса.

Биогеохимические и микробиологические исследования проводили в мае, июне, августе, октябре 2017 г. на 4-х станциях (ст.) реки Чернавка: ст. 1 в среднем течении; ст. 2 в устьевом участке, подверженном контакту с озерными водами; ст. 3 в устьевой зоне в одном из рукавов русла, пересохшем в августе; ст. 4 — самая “озерная” станция, в месте развития цианобактериальных сообществ.

Соленость определяли портативным рефрактометром ATAGOATC-S/Mill-E (Япония). Щелочноcть воды (Аlk) в мг-экв/л измеряли титриметрическим методом с помощью стандартного набора реактивов (“Merсk”, Германия). Иловые воды получали центрифугированием осадков. Содержание сульфатов определяли на ионном хроматографе Cтайер (Россия). Окислительно-восстановительный потенциал (Eh, мВ) измеряли при помощи полевого потенциометра рН 320/Set-1 (“WTW”, Германия).

Биомассу фототрофных сообществ оценивали по содержанию хлорофилла а. Для этого отбирали образцы матов площадью 4 см² в трех повторностях. Пигменты экстрагировали из биомассы 80%-ым ацетоном. Суммарные спектры поглощения пигментов снимали на спектрофотометре Carry 100Bio (“Varian”, США). Расчеты проводили, используя стандартные формулы (Намсараев, 2009).

Первичную продукцию планктонных и фототрофных сообществ, скорости сульфатредукции и темновой ассимиляции углекислоты (ТАУ) определяли радиоизотопным методом непосредственно в полевых условиях. Обработку образцов проводили по методике, описанной ранее (Pimenov, Bonch-Osmolovskaya, 2006; Канапацкий, 2018). Продуктивность сообществ рассчитывали c учетом глубины воды на станции и толщины фототрофной части мата (0.5 см) в мг C/(м²/ч). Общую численность бактерий и диатомовых водорослей определяли прямыми микроскопическими методами на основании подсчета общей численности и измерения среднего объема клеток (Cooper et al., 2015).

Установлено, что содержание Chl а в бентосных цианобактериальных сообществах варьировало от 6 до 13 мг Chl а/м² в мае/июне и от 132 до 140 мг Chl а/м² в октябре/августе. В планктоне наименьшие показатели выявлены в мае и октябре (от 6 до 12 мг Chl а/м³), самая мелководная и “озерная” станция характеризовалась повышенным содержанием Chl а — 50 мг Chl а/м³. Летом величины варьировали от 25 до 46 мг Chl а/м³ с наибольшим значением в августе на ст. 2 — 223 мг Chl а/м³ (табл. 1).

Таблица 1. Значения первичной продукции (ПП, мкг C/ л/ч (мкг C/дм³^/ч)) и содержание Chl а в планктонных (П, мг Chl а/м³⁾ и бентосных (Б, мг Chl а/м²⁾ микробных сообществах, общая численность диатомовых (ОЧД, ×10³ кл/мл), н. д. — не детектировались

Станция	Тип сообщества	Alk, мг-экв/л /S, ‰	ПП	Chl а	ОЧД
Май
Ст. 1	П	7.5/29	260	10	Н.д.
Ст. 2	П	5/29	170	9	Н.д.
Ст. 3	П	5.5/29	72	12	5.7
Ст. 4	П	5/30	160	6	2.8
Ст. 4	Б	5/30	10.9 × 10³	6
Июнь
Ст. 1	П	6/27	20	25	10.6
Ст. 2	П	7/28	110	39	8.6
Ст. 3	П	4.25/29	280	39	12.7
Ст. 4	П	7/32	15	36	10.6
Ст. 4	Б	7/32	4.2 × 10³	13
Август
Ст. 1	П	7.5/29	30	26	16.7
Ст. 2	П	6.5/31	315	223	153
Ст. 4	П	3.25/40	180	46	66.5
Ст. 4	Б	3.25/40	10.8 × 10³	140
Октябрь
Ст. 1	П	7/27	130	7	Н.д.
Ст. 2	П	8/27	60	9	2.4
Ст. 4	П	2.5/29	10	50	17.4
Ст. 4	Б	2.5/29	6.6 × 10³	132

В сравнении с литературными данными полученные величины в ЦБС характеризовались низкими значениями, по-видимому, в связи с неблагоприятным режимом развития в сгонно-нагонных условиях (Канапацкий, 2018), тогда как содержание Chl а в планктоне соответствовало соленым озерам в разных географических зонах (Номоконова, 2013).

Интенсивность первичной продукции (ПП), измеренная в разные сезоны, изменялась в широком диапазоне: в водной толще от 6 до 315 мкг С/л/ч, в бентосных сообществах — от 4.2 × 10³ до 10.9 × 10³ мкг С/дм³/ч. Полученные величины первичной продукции уступали значениям в крымских соленых озерах и соответствовали морским заливам и лагунам (Aleksandrov, 2010; Singh et al., 2023).

Расчеты показали, что суммарная продукция планктонным сообществом ОВ под 1 м² варьировала в широком диапазоне от 0.66 до 31.4 мг С/м²/ч. Можно отметить, что в каждом месяце максимальные величины проявлялись на разных станциях: в мае на ст. 1 — 25.7 мг С/м²/ч, в июне на ст. 2 — 31.4 мг С/м²/ч, в августе на ст. 3 — 28.1 мг С/м²/ч. В бентосном сообществе величины варьировали от 21.2‒33 мг С/м²/ч в июне/октябре до 54.2‒54.5 мг С/м²/ч в мае/августе (рис. 1а; табл. 2).

Рис. 1. Характеристики микробных сообществ: а — интегральная первичная продукция (ПП) в планктоне (ст. 1–4) и цианобактериальных сообществах (ЦБС) для ст. 4; б — интегральные значения темновой ассимиляции углекислоты (ТАУ) в горизонте 0–20 см; в — общая численность бактериопланктона (ОЧБ); г — биомасса бактериопланктона (б/пл); д — общая численность диатомовых водорослей (ОЧД); е — интегральные значения сульфатредукции (СР) в горизонте 0–20 см.

Таблица 2. Образование ОВ в процессе первичной продукции и расход ОВ при восстановлении сульфата, ммоль С/м²/ч; н. д. — нет данных

Станция	Май		Июнь		Август		Октябрь
Станция	ПП	Расход С_орг	ПП	Расход С_орг	ПП	Расход С_орг	ПП	Расход С_орг
Ст. 1	2.14	1.50	0.17	0.28	0.24	0.66	1.11	0.36
Ст. 2	1.42	1.38	0.9	1.06	2.62	1.3	0.49	0.92
Ст. 3	0.6	2.47	2.34	1.41	Н.д.	Н.д.	Н.д.	Н.д.
Ст. 4	5.87	17.81	1.87	4.31	5.98	1.84	2.81	2.94

В донных осадках в качестве индикатора активности микробного гетеротрофного сообщества была измерена скорость темновой ассимиляции углекислоты в биомассу и РОВ. Величины варьировали в значительном диапазоне, уменьшаясь с углублением в осадочную толщу от 1.1 × 10³ мкг C/дм³/ч в поверхностном слое осадка до 6 мкг C/дм³/ч на глубине 44 см. При этом было выявлено два пиковых значения в августе на ст. 2 и ст. 4–7.7 × 10³ и 8 × 10³ мкг C/дм³/ч, соответственно. Можно констатировать высокую гетеротрофную активность осадков р. Чернавка, поскольку, например, в эвтрофном мелководном и закрытом Куршском заливе Балтийского моря максимальная величина ТАУ в осадках достигала только 232 мкг C/дм³/ч (Pimenov, 2013). Интегральные значения, рассчитанные для горизонта 0‒20 см на разных станциях варьировали от 3.3 мг C/м²/ч в октябре на ст. 1 до 67.8 мг C/м²/ч на ст. 4 в июне. Максимальные значения отмечались в августе на ст. 2 и 4 (494‒547 мг C/м²/ч) (рис. 1б).

Величины общей численности бактериопланктона (ОЧБ) варьировали в широком диапазоне от 0.3–7.4 × 10⁶ кл/мл, значительно превышая показатели в эстуариях р. Оби, Енисея (Romanova, 2020; 2022) и соответствовали значениям эвтрофных районов Балтийского моря (Кудрявцева, 2012; Мошаров, 2022). Величины биомассы бактериопланктона в большинстве случаев коррелировали с ОЧБ, изменяясь от 17 до 1423.5 мг С/м³. Такие большие значения ОЧБ объясняются мелководностью реки, вследствие чего водная масса фактически является наддонным слоем, активно взаимодействующим с донными осадками (Romanova, 2020; 2022). Значения ОЧБ устьевого участка на ст. 2 и 4 значительно превышали таковые на ст. 1 в верхнем течении. Высокие значения ОЧБ на ст. 3 объясняются очень слабой скоростью течения воды на данной станции. К августу этот участок пересох. Значения измеренных показателей не отражали динамику изменений суммарной продукции ОВ (рис. 1в, 1г). Важно отметить, что было зафиксировано значительное возрастание численности диатомовых водорослей в августе на ст. 2 и 4, что хорошо коррелировало с возрастанием ассимиляции углекислоты на ст. 2, пиковыми интенсивностями ТАУ в осадках ст. 2 и ст. 4 того же месяца. В планктоне фиксировались навикулоидные и нитцшиоидные диатомеи со значительным доминированием представителей рода Chaetoceros (рис. 1д).

Известно, что терминальным процессом микробного разложения органического вещества в морских и континентальных водоемах с высоким содержанием сульфатов является сульфатредукция (Capone, Kiene, 1988). В воде р. Чернавка содержание сульфатов изменялось от 5.37 до 7.16 ммоль/л, в иловых водах поверхностных (0‒8 см) донных осадков в течение года содержание сульфат-иона изменялось от 0.009 до 1.61 ммоль/л, достигая 2.77 ммоль/л на 20 см. В осадках дельты (0‒25 см) содержание сульфат-иона изменялось от 0.75 до 3.67 ммоль/л, а на самой “озерной” станции 4 достигало значений 19.76‒85.53 ммоль/л.

Наибольшие средние значения скорости СР на всех станциях отмечены в мае (3.3 мкмоль S/дм³/ч), что, по-видимому, связано с активной деструкцией прошлогоднего ОВ. В осадках ст. 1 с июня по октябрь выявляются невысокие значения (0.037‒2.78 мкмоль S/дм³/ч), за исключением глубоких (21‒29 см) горизонтов в августе (5.87‒16.03 мкмоль S/дм³/ч), что может быть связано с неоднородностью илов речного русла. Однако на ст. 2 выявлен подповерхностный горизонт 3‒12 см, в котором постоянно сохранялась повышенная интенсивность СР (4.78‒6.12 мкмоль S/дм³/ч), на что может влиять особенность режима осаждения ОВ. Эта станция располагалась в зоне активного контакта речных и озерных водных масс, здесь происходит постоянное поступление неразложившегося ОВ и активное его осаждение из-за изменения глубины, скорости течения и ветрового воздействия. Максимальные интенсивности СР выявлены на ст. 4 (61.96 мкмоль S/дм³/ч). Однако с августа интенсивность СР падает до значений 0.93‒10.06 мкмоль S/дм³/ч.

Интегральные значения скорости СР, рассчитанные для верхних 20 см осадочной толщи, указывали на повышение интенсивности этого процесса в направление к устью реки. Независимо от сезона года наименьшие значения скорости СР (0.13 до 0.74 ммоль S/м²/ч) обнаружены на ст. 1, а наибольшие — на ст. 4 (1.46 до 8.87 ммоль S/м²/ч).

Расход органического углерода на процессы СР в исследованных осадках можно оценить исходя из обобщенного уравнения этого процесса (Леин, 1983). Учитывая стехиометрию образования из С_орг восстановленной серы в процессе СР (2 : 1), с использованием полученных нами данных по скоростям СР был рассчитан расход органического углерода на восстановление сульфатов в осадках р. Чернавка и сопоставлен с интенсивностью первичной продукции (табл. 2).

При сравнении величины ОВ, образующегося в ходе ПП и израсходованного в ходе СР (0‒20 см) наиболее активные процессы образования ОВ были зафиксированы в августе. На фоне общей высокой активности ПП было выявлено массовое развитие планктонных диатомовых водорослей в дельте реки, определившее возрастание ассимиляции углекислоты в планктоне, высокие интенсивности ТАУ в осадках ст. 2 и 4 и накопление ОВ. Несмотря на то что в мае и августе на ст. 4 интенсивность ПП как в планктонном, так и бентосном сообществе была практически равная и высокая, количество ОВ, израсходованного в процессе СР, в мае было почти в 10 раз больше, чем в августе. Голубковым М. С. было показано, что в соленых озерах Крыма значительное накопление ОВ в планктоне происходит в осенне-зимний период. Например, в оз. Киркояшское (24‒37.5‰) величины накопления ОВ составляют 55‒65% годовой ПП планктона. Вероятно, для “озерной” ст. 4 характерно аналогичное замедление деструкционных процессов и продолжение фототрофной активности фитопланктона при низких температурах (Голубков, 2010), как и для р. Чернавка, которая может круглогодично поступать в озеро. В июне и октябре зафиксировано превышение расхода ОВ над продукцией, которое может быть связано с образованием С_орг хемоавтотрофными микроорганизмами, поскольку в поверхностных илах возникают благоприятные для них условия при постоянном присутствии продукта сульфатредукции ‒ Н₂S и кислорода из воды.

Выявленное соотношение продукционных и деструкционных процессов свидетельствует об их значительной динамике, роли осенне-зимнего периода в накоплении ОВ, а также существовании неучтенных продуцентов ОВ в июне и октябре. Также показана определяющая роль диатомовых водорослей в накоплении ОВ.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда: проект № 23-27-00262

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит результатов исследований, в которых в качестве объектов использовались люди или животные.