ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2014, № 4, с. 355-364
МИКРОБИОЛОГИЯ
УДК 574.583(285.2):579
АКТИВНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ РОСТА ГЕТЕРОТРОФНЫХ БАКТЕРИЙ РЫБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА
© 2014 г. Д. Б. Косолапов, Н. Г. Косолапова, Е. В. Румянцева
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок Е-шаИ: dkos@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 26.07.2013 г.
Летом в пелагиали Рыбинского водохранилища проведены определения активной фракции, продукции и дыхания гетеротрофного бактериопланктона в целях оценки эффективности его роста и роли в круговороте углерода. Обнаружено, что большая часть ассимилируемых бактериями органических веществ минерализуется до С02. Установлено, что существенная часть конструктивного и энергетического метаболизма бактерий обеспечивается поступлением аллохтонных органических веществ. Отмечено, что бактериопланктон, образуя биомассу за счет использования аллохтонных субстратов, выполняет функции, схожие с функциями фитопланктона, и в значительной степени формирует структуру и поддерживает функционирование планктонных трофических сетей водохранилища.
Б01: 10.7868/80002332914040067
Одна из главных функций гетеротрофных бактерий — минерализация органических веществ, в процессе которой часть углерода расходуется на образование новой биомассы, а другая часть окисляется при дыхании до СО2. Биомасса и продукция планктонных бактерий определялись во многих водных экосистемах, однако они редко сопровождались измерениями их дыхания (Jahnke, Graven, 1995). Сопоставление интенсивности процессов продукции и дыхания показывает, действуют ли бактерии как вторичные продуценты и промежуточное звено переноса углерода на высшие трофические уровни или они функционируют в основном как конечные потребители углерода и минерализаторы органических веществ (Ducklow et al., 1986). Баланс этих двух важнейших метаболических процессов оценивают с помощью такого параметра, как эффективность роста бактерий (bacterial growth efficiency (BGE)). BGE, или коэффициент К2, — это фундаментальная характеристика метаболизма бактерий, которая отражает их экологические и биогеохимические функции и является ключевым параметром при изучении потоков вещества и энергии. BGE показывает, какая часть углерода органических веществ, образуемых авто-трофами, остается в экосистеме (Del Giorgio, Cole, 1998; Sinsabaugh et al., 2013).
Эффективность роста может быть определена в лабораторных условиях путем измерения интенсивности дыхания и образования биомассы бактериальных культур при их росте на субстратах, в том числе меченных радиоактивным изотопом углерода, или по скорости потребления суб-
стратов. Однако применение простых органических соединений не позволяет отразить все метаболическое разнообразие гетеротрофных бактерий в природе и с помощью этого подхода обычно получают завышенные значения BGE. Поэтому в экологических исследованиях для определения этого параметра более предпочтительны прямые измерения продукции и дыхания бактериальных сообществ в условиях водоема (Benner et al., 1995; Del Giorgio, Cole, 1998; Preen, Kirchman, 2004; Warkentin et al., 2011).
В последние годы растет число исследований, направленных на определение эффективности роста морского и пресноводного бактериопланк-тона. В результате этих исследований установлено, что BGE испытывает значительные пространственные и временные колебания, а процессы бактериальной продукции и дыхания не всегда взаимосвязаны.
Факторами, регулирующими эффективность роста, являются количество и качество органических веществ, концентрация и соотношение биогенных элементов, температура, состав и физиологическое состояние бактериального сообщества, активность бактериофагов (Del Giorgio, Cole, 1998; Smith, Prairie, 2004; Del Giorgio et al., 2006; Alonso-Saez et al., 2007; Motegi et al., 2009; Berman et al., 2010; Warkentin et al., 2011).
Исследования эффективности роста бактерий, однако, почти не затрагивали такой распространенный тип водных экосистем, как водохранилища. Вместе с тем эти искусственные экосистемы играют важную роль в жизни человека и являются
потенциальными источниками поступления в атмосферу СО2, CH4, N2O и других парниковых газов, большая часть которых образуется при бактериальном разложении органических веществ (Roland et al., 2011).
Цель работы — определение активной фракции, продукции и дыхания гетеротрофного бак-териопланктона для оценки эффективности его роста и роли в круговороте углерода в пелагиали Рыбинского водохранилища.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Пробы из поверхностного и придонного горизонтов водной толщи отбирали плексигласовым батометром Руттнера 17.08.2011 г. на шести стандартных станциях, расположенных в пелагиали Рыбинского водохранилища. Две из этих станций (Коприно и Молога) находятся в Волжском плесе, остальные — в Главном плесе водохранилища.
Концентрацию растворенного кислорода (O2), температуру (T) и электропроводность (EC) воды измеряли с использованием портативного зонда YSI Model 55 (YSI, Inc., США). Значения рН воды анализировали c помощью портативного pH-мет-ра 100 ISFET (Beckman Instruments, Inc., США). Цветность воды (WC) определяли методом сравнения с искусственными стандартами и выражали в градусах по хромокобальтовой шкале цветности. Концентрации растворимого органического (DOC) и неорганического (DIC) углерода и общего связанного азота (TN) анализировали методом высокотемпературного каталитического сжигания с помощью автоматического анализатора углерода LiquiTOC II (Elementar, Германия), снабженного хемолюминесцентным детектором азота.
Пробы воды для микроскопического анализа фиксировали формалином до конечной концентрации 2% и хранили в темноте при 4°С. Численность и размеры гетеротрофных и фототрофных флагеллят, бактериопланктона и его размерно-морфологических групп (одиночных, агрегированных и нитевидных бактерий), а также число делящихся бактерий и вириопланктона определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии c использованием различных флуоресцентных красителей (Hagstrom et al., 1979; Porter, Feig, 1980; Caron, 1983; Noble, Fuhrman, 1998). Бактерий с активной системой транспорта электронов (активнодышащих) выявляли по внутриклеточному восстановлению соли тетразолия с образованием флуоресцирующего формазана (Sherr etal., 1999). Бактерий с неповрежденными нук-леоидами учитывали модификацией стандартного метода определения общей численности бактерий (Zweifel, Hagstrom, 1995). Препараты просматривали под эпифлуоресцентным микроскопом
Olympus BX51 (Япония), снабженным системой компьютерного анализа изображений.
Содержание углерода в сырой биомассе бактерий (С, фг С/кл.) рассчитывали по аллометриче-скому уравнению С = 120 V072, где V - объем бактериальной клетки, мкм3 (Norland, 1993). Для пересчета биомассы гетеротрофных и фототрофных флагеллят на углерод использовали коэффициенты, равные 220 и 140 фг C/мкм3 соответственно (Rocha, Duncan, 1985; Borsheim, Bratbak, 1987).
Продукцию бактериопланктона оценивали по включению 3Н-тимидина в ДНК. В расчетах продукции использовали следующие переводные коэффициенты: 2 х 109 кл./нмоль и 20 фг С/кл. (Bell, 1993). Первичную продукцию фитопланктона измеряли с помощью 14С-метода в фотическом слое воды (слое тройной прозрачности по диску Сек-ки) (Романенко, Кузнецов, 1974). Интенсивность дыхания гетеротрофного бактериопланктона определяли по уменьшению концентрации растворенного кислорода при инкубации флаконов, заполненных природной водой, профильтрованной через мембраны с диаметром пор 0.8 мкм (Preen, Kirchman, 2004). Концентрацию кислорода в начале и в конце инкубации анализировали методом Винклера (Романенко, Кузнецов, 1974). Скорость потребления кислорода бактерио-планктоном пересчитывали на углерод, принимая "дыхательный" коэффициент (RQ) равным 0.8 (Berman et al., 2010). Эффективность роста бактериопланктона рассчитывали по формуле BGE = BP/(BP + BR), где BP - продукция и BR -дыхание (Del Giorgio, Cole, 1998).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
На станциях отбора проб глубина водохранилища H = 6-14 м, T = 20.3-21.9°C, прозрачность Z = 80-100 см, WC = 35-50 град, рН 7.55-8.36, EC = 174-201 мкСм/см, O2 = 7.11-8.86 мг/л (табл. 1). Поскольку во время проведения наших исследований наблюдалось сильное ветровое перемешивание водохранилища, то термической или кислородной стратификации водной толщи не наблюдалось и физико-химические характеристики поверхностного и придонного горизонтов воды мало различались. Концентрация растворенных органических веществ (DOC) изменялась от 6.38 до 8.75 мг С/л, причем минимальное и максимальное значения этого параметра регистрировались соответственно в поверхностном и придонном слоях воды на ст. Брейтово. Значения TN колебались от 1.02 до 2.60 мг/л и достигали максимума на русловом участке Волжского плеса водохранилища (ст. Коприно).
Численность бактериопланктона составляла (6.03-9.72) х 106 кл./мл (коэффициент вариации CV = 13.8%), средний объем его клеток -
Таблица 1. Физико-химическая характеристика воды на станциях отбора проб в Рыбинском водохранилище
Место отбора проб H, м Z, см WC, град T, °C EC, мкСм/см O2, мг/л рН DIC, мг/л DOC, мг/л TN, мг/л
К-П 11 80 45 21.8 174 8.82 8.17 20.3 8.04 2.6
К-Д 21.9 175 7.11 8.06 21.6 7.92 1.75
М-П 12.5 80 45 20.8 174 8.86 8.21 17.9 7.67 1.52
М-Д 20.7 175 7.82 7.87 21.4 8.64 1.13
Н-П 6 90 50 20.6 187 8.43 8.25 23.7 8.41 1.99
Н-Д 20.6 187 8.64 8.36 20.8 8.33 1.06
И-П 6 90 45 20.3 201 8.57 8.11 20.5 7.26 1.78
И-Д 20.3 201 8.33 7.76 22.9 8.7 1.02
СД-П 14 100 35 20.5 190 8.34 7.55 19 7.3 1.24
СД-Д 20.5 189 8.63 7.9 21.3 8.48 1.15
Б-П 13 100 45 21 177 7.81 8.03 18.8 6.38 1.45
Б-Д 20.8 177 7.49 7.78 21.6 8.75 1.54
Примечание. H — глубина, Z — прозрачность, WC — цветность, T — температура, EC — электропроводность, O2 — концентрация растворенного кислорода, DIC — растворимый неорганический углерод, DOC — растворимый органический углерод, TN — общий азот. К — Коприно, М — Молога, Н — Наволок, СД — Средний Двор, Б — Брейтово; П — верхностный слой воды, Д — дно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.