БИОфизика ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ Задереев Егор Сергеевич Ведущий научный сотрудник ИБФ СО РАН канд.биол.наук Тел Эл.почта

Кислород

1. Газы – один из типов химических примесей в воде: они могут быть необходимыми для жизни, инертными, токсичными. 2. Свойства газов определяются физическими и химическими законами. 3. Газы стремятся к равновесию между концентрациями в атмосфере и растворенной в воде. Растворенные газы

4. Равновесное (насыщение) количество растворенного газа зависит от: Давления (рост давления – рост растворимости) Солености (рост солености – уменьшение растворимости) Температуры (рост температуры – уменьшение растворимости). 5. Растворимость газа не зависит от концентрации других газов в растворе Растворенные газы

При постоянной температуре количество газа поглощаемое объемом воды пропорционально парциальному давлению газа: [gas] = K H r gas K H - константа Генри (для чистой воды при 20 o C = 1.39 (ммольО 2 /кгН 2 О*атм) r O2 – парциальное давление кислорода (в атмосфере~20.3% О 2 = atm) Количество кислорода который растворится в воде при 20 0 С

Растворимость кислорода падает с ростом температуры. Многие биохимические реакции, включая и те, что приводят к поглощения кислорода, ускоряются при повышении температуры. В результате повышение температуры может приводить к кислородному стрессу в водных экосистемах.

1.Диффузия из атмосферы. Действия волн (растет с усилением волнения) Атмосферного давления (растет с ростом атмосферного давления) Насыщения воды кислородом (уменьшается с ростом насыщения) Солености (уменьшается с ростом солености) Влажности воздуха (уменьшается с ростом влажности) Факторы воздействующие на концентрацию кислорода

2. Фотосинтез (часто более важен чем атмосферная диффузия). Вносит более 50% кислорода в воде. Фотосинтез может давать до 5мг O 2 /см 2 /день Факторы воздействующие на концентрацию кислорода

1. Фотосинтез и дыхание часто приводят к суточным колебаниям концентрации O 2 в поверхностных водах. a. Может достигать 200% насыщения в полдень b. Может падать до 50% насыщения при закате Потери кислорода и его колебания Суточные флуктуации кислорода и углекислого газа в эпилимнионе

2. Потери кислорода: a. Дыхание b. Разложение с. Химические или биохимические реакции окисления (редокс - реакции). 3. Кислород распределяется по водной толще в основном течениями. 4. Летняя стратификация может приводить к лимитирующим концентрациям кислорода в гиполимнионе. Потери кислорода и его колебания

О2О2 О2О2 ? Истощение кислорода в гиполимнионе Свет

Зоны с низким содержанием кислорода в океане За последние годы площадь зон с низким содержанием кислорода существенно выросла возможно из-за изменений в циркуляции и биологической продуктивности, что может быть связано с изменением климата.

Низкое содержание кислорода убивает рыб и других животных Предполагается, что низкое содержание кислорода могло быть причиной массовых вымираний видов в прошлом.

Редокс реакции Восстановление – захват электронов, восстановитель – вещество которое отдает электрон Окисление – потеря электронов, окислитель – вещество которое теряет электрон. Редокс потенциал Eh – поток электронов по отношению к водородному стандарту (электронный потенциал). С уменьшением Еh раствор более восстановлен (больше свободных электронов), с ростом Eh раствор более окислен (будет принимать электроны). Среднее значение в озерах ~ mV

Редокс реакции 1.Аэробное дыхание (окисление органического вещества) 2. Азот a) Денитрификация b) Потребление азота организмами c) Нитрификация – образование нитрата 3. Железо (окисление и восстановление) 4. Сера (окисление и восстановление) 5. Метан (окисление и метаногенез)

2. Клиноград Более продуктивные озера Интенсивное поглощение кислорода в гимолинионе Летние профили кислорода 1. Ортоград Олиготрофные озера – низкая продуктивность, мало дыхания Более высокая растворимость кислорода при низких температурах Ортоград Клиноград

4. Отрицательный гетероград Высокая скорость дыхания или разложения в металимнионе (дыхание водорослей ночью или зоопланктона) Градиент плотности замедляет оседание детрита (морской снег) около термоклина, что приводит к повышенному потреблению кислорода 3. Положительный гетероград Увеличенная растворимость в металимнионе при более низкой температуре Повышенная концентрация водорослей в металимнионе ('deep chlorophyll layer) Фотосинтез в термоклине, в случае проникновения туда света, где нет перемешивания и весь кислород остается и накапливается Положительный гетероград Отрицательный гетероград

A. Весеннее перемешивание Зимой лед изолировал от обмена с атмосферой За зиму происходит снижение концентрации за счет дыхания и разложения Концентрация кислорода растет до 100% насыщения Летний дефицит кислорода – если стратификация произошла до насыщения озера кислородом Сезонный цикл кислорода в димиктичном озере

B. Весенняя и летняя стратификация Влияние зависимости 100% насыщения от температуры Действие биоты: дыхание и фотосинтез Сезонный цикл кислорода в димиктичном озере кислород в эпилимнионе колеблется в результате баланса фотосинтеза, дыхания и перемешивания кислород в гиполинионе падает за счет дыхания

C. Распад стратификации концентрация кислорода в эпилимнионе немного падает из-за перемешивания с глубинными водами концентрация кислорода в гиполимнионе продолжает падать

D. Перемешивание Температура >4 0 C кислород стремится к 100% благодаря ветровому перемешиванию НО, если озеро рано замерзает, озеро может не достичь 100% насыщения кислородом и это «зимний дефицит кислорода» E. Зима Обратная стратификация наиболее интенсивное дыхание в осадках и около дна возможность зимних заморов

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= 106:16:1; B) в воде C) в эстуариях D) во взвешенном веществе

Либих первый заметил (1840), что недостаток определенных элементов может лимитировать рост популяции организмов. Он сформулировал свой закон так:....«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. Закон минимума Либиха

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

Фосфорная нагрузка и концентрация водорослей в водоеме

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 Фосфор

Взвешенный P 1. Организмы 2. Скалы, почва, осадки (вулканические скалы – мало фосфора, осадочные породы – много) 3. Адсорбированный Растворенный P Неорганический 1. Ортофосфат (PO 4 3- ) 2. Полифосфат (порошки) 3. Органические фосфаты (в основном коллоидный, менее доступен) Формы фосфора

Общий фосфор ВзвешенныйРастворенный Неоргани- ческий Органи- ческий Неоргани- ческий Органи- ческий

Транспорт биогенных элементов Растворенные Растворенные Коллоидные Коллоидные Взвешенные 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 Растворенный фосфат в воде Фосфат в иле Термоклин Фотичес кая зона Афотич еская зона В эпилимнионе фосфор быстро поглощается водорослями Из осадков фосфор извлекается корнями растений и бентосом

Общие профили фосфора в низко и высоко продуктивном озерах

Продуктивность Общий P Ультра- олиготрофное 100 Концентрация фосфора в эпилимнионе и продуктивность озера

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 Фосфор и качество воды

Нагрузка P & Кислород Нагрузка P & Фитопланктон

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 FeOH и FePO 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. Наличие кислорода влияет на доступность фосфора через ряд редокс-реакций

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

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 Фосфор в осадках

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. Важен не только как биогенный элемент, но и как токсичное вещество для организмов в некоторых формах. Азот

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 Формы 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 Источники и потери азота

А. Газ N 2 в аммоний, энергетически дорогая реакция (химическая фиксация молекулярного азота в лаборатории требует 500 O C и давления в 100 атмосфер) B. Только 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. Фиксация азота

Фиксация азота в озере Титикака, Перу

Цикл азота NH 4 + Ассимиляция (образование органического вещества, например водоросли) N 2 газ Фиксация азота

NH 4 + R – NH 2 Ассимиляция Минерализация N 2 газ Цикл азота Фиксация 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

NH 4 + NO 2 - NO 3 - Нитрификация R – NH 2 Ассимиляция Минерализация N 2 gas Фиксация азота Цикл азота

Нитрификация Аэробная реакция, использование аммония в качестве источника энергии Необходимо: – –Аммоний – –Кислород – –Нитрифицирующие бактерии Приводит к потерям аммония из водной толщи 2 NH O 2 2 NO 3 -

NH 4 + NO 2 - NO 3 - Нитрификация R – NH 2 Ассимиляция Минерализация DNRA N 2 gas Фиксация азота Цикл азота

DNRA Диссимиляционное восстановление нитрата до аммония Перевод нитрата обратно в аммонийную форму, с помощью бактерий Недавно обнаружено, плохо исследовано

NH 4 + NO 2 - NO 3 - Нитрификация R – NH 2 Ассимиляция Минерализация DNRA Ассимиляция нитрата N 2 gas Фиксация азота Цикл азота

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

NH 4 + NO 2 - NO 3 - Нитрификация сжигаем аммоний для энергии R – NH 2 Ассимиляция/ Минерализация Фиксация азота (делаем удобрение) DNRA Ассимиляция нитрата N 2 gas NO N2ON2O Денитрификация (сжигаем биомассу: нитрат как окислитель) (делаем биомассу) (разлагаем биомассу) (делаем биомассу) Цикл азота

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

A.Нитрификация – окисление аммония до нитрита (Azotobacter) и нитрита до нитрата (Nitrobacter) B. Денитрификация – NO 3 - используется как акцептор электрона для окисления углерода, что приводит к образованию N 2 O и N 2. Приводит к потере N из окружающей среды. Происходит при низких значениях редокс потенциала, может приводить к образованию аммония C. Реминерализация (аммонификация) ОргN => NH 4 + Цикл азота

Общие профили азота в озерах низкой и высокой продуктивности

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 pH: Токсичные формы азота pH NH 4 + : NH 4 OH : :1 8 30: :1 Менее токсично Более токсично

Кремний: ключевой элемент для строения стенок диатомовых водорослей, может быть лимитирующим в некоторых водных экосистемах

Полиненасыщенные жирные кислоты Аминокислоты Витамины ………………….. Любое вещество необходимое для роста организма и находящееся в минимальной концентрации

В рационе человека должны быть незаменимые жирные кислоты. Этих кислот много в рыбе и других морепродуктах. Недостаток этих кислот в пище одна из причин сердечно- сосудистых заболеваний. Всемирная организация здравоохранения рекомендует в сутки потреблять с пищей около 1 грамма этих кислот. Из доступных продуктов больше всего незаменимых жирных кислот в обыкновенной сайре в масле. Почти 2.5 грамма на каждые 100 грамм продукта. В селедке чуть меньше двух грамм, а в шпротах чуть меньше полутора грамм на 100 грамм продукта. Для сравнения для того, чтобы получить суточную дозу этих кислот, питаясь свининой надо съесть 3 килограмма мяса. С точки зрения содержания жирных кислот шпроты или сайра почти не отличаются от благородных форели и семги.