БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2007, № 4, с. 9-14
УДК 577.151.03+546.18-541.12.035:282.256.341
АКТИВНОСТЬ ЩЕЛОЧНОЙ ФОСФАТАЗЫ И ДИНАМИКА ФОСФОРА
В ДЕЛЬТЕ РЕКИ СЕЛЕНГА
© 2007 г. С. Ю. Максименко, В. В. Парфенова, И. В. Томберг, В. Н. Синшкович,
Л. М. Сороковикова, Г. И. Поповская
Лимнологический институт СО РАН, 664033 Иркутск, а/я 4199, e-mail: svmax@lin.irk.ru Поступила в редакцию 20.04.2006 г.
На основе натурных данных, полученных в разные сезоны 2003 г., проанализированы особенности пространственной и временной изменчивости активности щелочной фосфатазы в водных объектах дельты р. Селенга, охарактеризована связь этого показателя с содержанием в воде органического и минерального фосфора. Подтверждена возможность использования фосфатазной активности для оценки экологического или трофического состояния водных экосистем.
ВВЕДЕНИЕ
Основная часть фосфора в водных экосистемах присутствует в органической форме. В результате постоянного круговорота фосфора его органические соединения восстанавливаются и вновь вовлекаются в биохимические процессы. По сравнению с общим запасом, содержание неорганического фосфора в речных и озерных водах невелико, но именно эти подвижные формы активно участвуют в обменных процессах между различными компонентами биоты.
В круговороте фосфора большую роль играют микробиологические процессы, так как все реакции преобразования органических фосфорсодержащих соединений в природных условиях осуществляются под действием соответствующих ферментов. Определение их активности необходимо для оценки скорости и путей преобразования, а также полноты использования органического вещества в экосистеме.
Бактерии выделяют целый комплекс ферментов для мобилизации фосфатов из фосфорсодержащих органических веществ (фосфолипидов, нуклеиновых кислот, лецитина и др.). В число этих ферментов входят фосфатазы, которые катализируют гидролиз эфиров и ангидридов фосфорной кислоты [8]. Преобразование проходит согласно следующей реакции:
Фенилфосфат фосфатаза, фенол + ортофосфат.
При исследовании водных экосистем чаще всего определяют щелочные, кислые и нейтральные фосфатазы - ферменты с широкой субстратной специфичностью. Особое внимание уделяется щелочным фосфатазам, проявляющим максимальную активность в слабощелочной или щелочной среде при рН 7.6-10 и гидролизующим
различные моноэфиры ортофосфорной кислоты. Синтез щелочных фосфатаз осуществляется по принципу обратной связи, а репрессором их активности в основном служит повышенное содержание минерального фосфора (Рмин) в воде [7]. Данный тип регуляции широко распространен среди микроорганизмов и водорослей. Активность щелочной фосфатазы (АЩФ) рассматривают как информативный показатель обеспеченности гидробионтов фосфором [10], плотности популяции микроорганизмов в пресноводных осадках, процессов первичного продуцирования за счет рециклинга Р [1], минерализации органических веществ. АЩФ дает возможность судить о состоянии экосистемы, нагрузке фосфатами и качестве воды [13].
Цель работы - продолжение начатых ранее [12] исследований активности общей щелочной фосфатазы в связи с сезонными изменениями концентраций минерального и органического фосфора (Рорг) в дельте р. Селенга, а также анализ возможности использования данного параметра для экологической оценки водных объектов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Река Селенга, поставляющая в оз. Байкал основную массу воды (~50% притока), в приустьевой части распадается на многочисленные рукава и образует обширную дельту площадью 1120 км2 [2], к нижнему краю которой примыкают мелководные заливы Провал и Черкалов Сор [9]. Вода р. Селенга маломинерализованная, гидрокарбонатного класса группы кальция с повышенным содержанием биогенных элементов ^ и Р), поступающих в реку с промышленными, сельскохо-
Рис. 1. Станции отбора проб в дельте р. Селенга: 1 - Кабанск, 2 - Мурзино, 3, 4 - Харауз (соответственно поверхность и глубина 4 м), 5, 6 - Заверняиха (соответственно поверхность и глубина 2 м), 7 - Галутай, 8 - Шаманка, 9 - Левобережная, 10 - Черкалов сор, 11 - Средняя, 12 - Колпинная, 13 - Северная, 14 - Лобановская, 15 - Правый Харауз.
зяйственными и коммунально-бытовыми стоками, в том числе с территории Монголии.
Материал собран в марте-октябре 2003 г. на 15 станциях, расположенных с учетом распределения водности по отдельным протокам в вершине дельты р. Селенга, ее средней части и устьевых участках проток (рис. 1). Пробы на мелководных станциях отбирали из поверхностного слоя воды, на глубоководных - из поверхностного и придонного слоев.
Активность щелочной фосфатазы определяли с помощью стандартного диагностического набора Alkaline phosphatase "FL", изготовленного компанией «Vital diagnostics», г. Санкт-Петербург. Метод основан на оценке количества образовавшегося в единицу времени п-нитрофенола, пропорционального активности фермента. Для этого в нефильтрованную пробу воды сразу после отбора добавляли рабочий реагент (смесь глицинового буфера с рН 10.4 и стандартного раствора п-нитрофенола 50 мкмоль/л). После 24-часовой экспозиции при комнатной температуре вносили 5 мл раствора NaOH (20 ммоль/л) для прекращения реакции. Оптическую плотность определяли
при длине волны 405 нм в кювете длиной 1 см на фотоэлектроколориметре КФК-2-УХЛ4.2. В качестве контроля использовали пробы, которые экспонировали в безбактериальной воде. Показатель фосфатазной активности, выраженный в нмоль/(л • сут), рассчитывали по калибровочной кривой [11].
Содержание Рмин и общего фосфора ( Робщ) определяли с помощью общепринятых в гидрохимии методик [4] в воде, предварительно профильтрованной через поликарбонатные фильтры с диаметром пор 0.45 мкм. Относительная погрешность метода <1.5%. Содержание Рорг рассчитывали по разности между Робщ и Рмин.
Для оценки влияния концентрации Р на активность щелочной фосфатазы выполнены эксперименты с нефильтрованной водой из оз. Заверняиха и основного русла р. Селенга у с. Мурзино. После определения Рмин в исходной воде его содержание увеличивали в 1.5 и 2 раза, добавляя
рабочий раствор Р О43, и уменьшали в 1.5 и 2 раза путем разбавления бидистиллированной водой. Во всех пробах определяли АЩФ.
Таблица 1. Динамика активности щелочной фосфатазы (1, нмоль/(л • сут)), содержания минерального (2) и органического (3) фосфора (мкг/л) в водных объектах дельты р. Селенга в 2003 г.
Протока Март Май Июнь Июль Октябрь
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
Кабанск 225 12 18 1072 1 104 264 0 72 600 1 10 658 1 47
Мурзино 323 18 12 5090 4 154 600 0 58 816 0 9 1032 0 52
Харауз:
поверхность 3632 27 4 1446 0 81 580 1 54 501 1 12 678 1 29
дно 461 24 6 875 0 112 323 1 47 560 2 11 717 5 31
Заверняиха:
поверхность 5878 5 50 1230 3 103 245 9 62 304 4 6 382 2 11
дно 1348 13 21 1545 1 101 422 10 54 382 5 6 461 4 6
Галутай - - - 1486 1 94 481 0 56 600 0 12 875 0 25
Шаманка - - - 1190 1 89 284 0 41 - - - 501 3 32
Левобережная - - - - - - 402 0 44 402 1 7 382 4 0
Черкалов сор 816 11 12 2766 0 42 422 0 54 501 2 14 600 1 11
Средняя 4932 2 16 855 1 76 205 3 62 402 5 28 501 2 31
Колпинная 17302 11 74 - - - - - - 363 8 1 461 5 24
Северная 2726 7 3 - - - 186 1 77 225 4 7 264 3 19
Лобановская 166 20 7 658 0 92 382 0 71 461 0 10 600 0 28
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В период наблюдения минерализация воды в протоках дельты изменялась от 141 до 196 мг/л, рН от 7.76 до 8.54, летний прогрев воды достигал 22-25°С. Водность р. Селенга в течение 2003 г. была пониженной. В этих условиях основная масса воды (~55% летом и до 90% зимой) перетекала по левому краю дельты через протоки Харауз и Левобережная [5]. Через правую, наиболее многоводную, часть (протока Лобановская) проходило 30% стока реки в летний период и ~10% зимой, через центральную часть дельты (протоки Кол-пинная и Средняя) - <3% общего стока реки. С середины зимы до весны вследствие промерзания проток центральной части сток фактически отсутствовал.
Концентрации Рмин и Робщ в воде р. Селенга и в протоках ее дельты в значительной степени зависели от развития планктона. Максимум Рмин (до 27 мкг/л) наблюдался в подледный период (февраль-март) при активных процессах минерализации органического вещества и накоплении Р в водной толще. Однако в воде отдельных проток (Колпинная, Средняя, Заверняиха) содержание Рорг в этот период также было высоким, что обусловлено особенностями внутриводоемных процессов.
Зимой при общей численности фитопланктона 0.13 млн кл./л и биомассе 0.227 г/м3 диатомовые составляли до 58-64% общей численности, заметного обилия достигали зеленые Chlorogonium
popovii Ustiuzhan. Самые высокие концентрации Рорг отмечены в устье протоки Колпинная (74 мкг/л) и в поверхностном слое оз. Заверняиха (50 мкг/л), питание которых осуществляется в основном за счет грунтовых вод, что создает специфические условия развития планктона. В протоке Колпинная отмечено массовое развитие двух видов золотистых - Chrysococcus biporus Skuja и Di-nobryon cylindricum Imh. (численность до 1 млн кл./л и биомасса до 1 г/м3), в оз. Заверняиха -крупных видов динофитовых и криптофитовых, создающих высокую биомассу фитопланктона (>140 г/м3). Содержание органического вещества, в том числе и Рорг, в этих протоках достигало максимальных величин [6]. Остальные протоки зимой характеризовались невысокими биомассой планктона и концентрацией Рорг.
В мае после освобождения реки ото льда быстрый прогрев и значительный запас минеральных форм биогенных элементов создали благоприятные условия для развития водорослей и накопления Рорг в воде (табл. 1). Общая численность фитопланктона в протоках дельты изменялась от 6 до 21 млн кл./л, биомасса от 6 до 13 г/м3. Доминировали мелкие центрические диатомовые из рода Stephanodiscus (S. minutulus (Kütz.) Cleve et Möller, S. makarovae Genkal, S. invisitatus Hohn et Heller-man), субдоминантами были Nitzschia acicularis W. Sm. и Melosira varians Ag. При этом концентрации Рмин в воде проток из-за интенсивного по-
нмоль/(л • с)
6004 о 300 -600
300
30
60 мкг/л
Рис. 2. Зависимость активности щелочной фосфата-зы (ось ординат) от содерж
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.