Трансформация, круговорот лабильных веществ и продукционно-деструкционные процессы в озерных экосистемах

Abstract

Для оценки трансформации веществ использовалось кинетическое уравнение для озерных систем: R= kτ/(1+kτe^((-1)⁄τ) ), где R – удерживающая способность, k – константа скорости трансформации, τ – период водообмена. Наименьшие величины скоростей трансформации и их констант отмечены для больших стратифицированных озер, по сравнению с малыми. Связано это как с особенностями температурных условий в водоемах, так и со степенью трансформированности лабильных веществ в озерах с замедленным водообменном. Установлены предельные значения скоростей трансформации, когда τ → ∞ (ν_ОВ = 460 мкг/л в год, ν_Fe = 7, ν_(N_орг ) = 15, ν_Si = 29, ν_(Р_общ )= 1,3 мкг/л в год). Последние могут наблюдаться в морских водах и в озерах с очень высоким τ. С использованием кинетики последовательных реакций первого порядка и натурных данных установлены средние значения констант превращения форм азота в природных водах: Nорг → NH4+ (k1 = 0,04 сутки-1), NH4+ → NO2- (k2 = 0,35 сутки-1), NO2- → NO3- (k3 = 2,35 сутки-1), NO3- → Nорг (k4 = 1,80 сутки-1), которые позволили объяснить преобладающее распределение форм азота в поверхностных водах гумидной зоны, в которых Nорг доминирует над его минеральными формами. Оборачиваемость фосфатов оценивалась по активности щелочной и кислой фосфатаз с применением в качестве субстрата пара-нитрофенилфосфата. Путем измерения активности фосфатаз определено время оборота фосфора в водоемах гумидной зоны (2-18 час). Судя по оборачиваемости фосфора (несколько раз в сутки) Рмин является очень лабильным компонентом и его концентрации поддерживаются на низком уровне. Определение продукционно-деструкционных характеристик водных объектов на основе их новой кинетической модели показало, что продукция всегда выше деструкции автохтонного ОВ, а их разность – есть новообразование ОВ и выделение О2 в водную среду. Продукция от общей деструкции составляет 59-97 %, а деструкция аллохтонного ОВ – 3-43 %. По величине первичной продукции (мгО2/л в год) можно ранжировать шкалу трофности водных объектов: 5 – 12 – олиготрофные, 12 – 30 – мезотрофные, 30 – 75 – эвтрофные, ˃ 75 – высокоэвтрофные. В большинстве случаев трофический статус водоема, устанавливаемый по первичной продукции, близок к таковой по Робщ.

To assess the rates of chemical substances transformation the kinetic equation for lake systems was applied: R= kτ/(1+kτe^((-1)⁄τ) ), where R – retention capacity, k – constant of transformation velocity, τ – flushing period. Minimal values of transformation velocity and its constant were found for large stratified lakes. This is due to specific temperature conditions in such lakes and higher labile substances transformation because of their slow flushing period. The highest transformation rates were estimated on condition τ → ∞ (ν_OM = 460, ν_Fe = 7, ν_(N_org ) = 15, ν_Si = 29, ν_(Р_tot )= 1,3 μg/l year). These values may occur in marine waters and lakes with very high τ. Average constants of rates of nitrogen cycle reactions in natural waters were estimated using kinetics of consecutive reactions of first order and field data: Norg → NH4+ (k1 = 0,04), NH4+ → NO2- (k2 = 0,35), NO2- → NO3- (k3 = 2,35), NO3- → Norg (k4 = 1,80 day-1). These constants allowed to explain typical distribution of nitrogen forms in surface waters of humid zone, where Norg form is predominate over the rest. Phosphate turnover rate was estimated by activity of alkaline and acid phosphatases, paranitrophenilphosphate was used as substrate. The determined phosphatase activity allows estimating the time of phosphorus turnover in waters of humid zone (2 – 18 hours). Considering the high rate of phosphorus cycling (several times a day) Pmin appears to be a very labile component and therefore its concentration in surface waters keeps low. Production and destruction values in water bodies determined by the new kinetic model showed that production is always higher then autochthonous organic matter (OM) destruction; difference between these parameters represents the quantity of a newly formed organic matter together with O2 emission into aquatic environment. The production constitutes 59-97 % of total destruction, while allochthonous OM destruction is 3-43 % of total destruction. The water bodies trophicity could be ranged based on primary production value (mg О2/l year) as follows: 5 – 12 – oligotrophic, 12 – 30 – mesotrophic, 30 – 75 – eutrophic, ˃ 75 hypertrophic. Generally, trophic status of a water body determined on the basis of primary production values is similar to that estimated from Рtot.