= ЭКОЛОГИЯ
УДК 579-154.31(285.2)+591.1.02
ГЕТЕРОТРОФНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ И ВИРУСЫ В РЕКЕ ОКЕ И ЧЕБОКСАРСКОМ ВОДОХРАНИЛИЩЕ В АНОМАЛЬНО ЖАРКОЕ ЛЕТО 2010 ГОДА
© 2013 г. А. И. Копылов, Я. В. Стройнов, Е. А. Заботкина, А. В. Романенко, Т. С. Масленникова
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок E-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 14.12.2011 г.
Отмечено, что в июле 2010 г. аномально высокая температура воды (25—29°С), резкое увеличение биомассы и продукции фитопланктона послужили причиной интенсивного развития гетеротрофных бактерий и гетеротрофных нанофлагеллят. Установлено, что численность, биомасса и продукция гетеротрофного бактериопланктона, численность и биомасса гетеротрофных нанофлагеллят и число планктонных вирусов, рассчитанные в среднем для водохранилища, были выше таковых в годы с более низкой (20—23°С) температурой воды. Обнаружено, что вирус индуцированная смертность бактериопланктона составляла в среднем для исследованных участков в р. Оке и Чебоксарском водохранилище 25.4 ± 3.4 и 22.4 ± 2.7% суточной продукции бактериопланктона.
DOI: 10.7868/S0002332913030053
Одно из самых неблагоприятных последствий эвтрофикации — массовое развитие цианобакте-рий, которое иначе называют "цветением" водоемов (Сиренко, Гавриленко, 1978; Vasconcelos, 2006). Значительным накоплением биомассы ци-анобактерий и последующим ее разложением вызываются существенные изменения структурно -функциональных характеристик планктонных сообществ водных экосистем, и создается множество проблем при рекреационном, хозяйственном и питьевом использовании водоемов. Кроме того, цианобактерии способны синтезировать токсические вещества (цианотоксины), оказывающие негативное влияние на водоросли, водных беспозвоночных, рыб, млекопитаюших и человека (Choras, Bartram, 1999; Briand et al., 2003). По сравнению с водорослями у цианобактерий оптимальный рост наблюдается при более высоких температурах воды (Sigee, 2005). "Цветение" водоемов цианобактериями происходит при условии высокого содержания в воде биогенных элементов (особенно фосфора).
Трофический статус Чебоксарского водохранилища по содержанию в воде биогенных элементов и концентрации хлорофилла оценивается как эвтрофный. Из всех волжских водохранилищ оно испытывает наибольшую антропогенную нагрузку (Минеева и др., 2008). Как правило, во второй половине лета температура воды на поверхности водохранилища колебалась около 22°С, а скорость фотосинтеза фитопланктона в единице
объема воды достигала 6.28—7.15 мг О2 /(л • сут) или 1.88-2.14 г С /(м3 • сут) (Минеева, 2009). В аномально жаркое лето 2010 г. температура воды в Чебоксарском водохранилище в июле достигала 27-29°С, и на значительной его акватории наблюдалось необычно сильное "цветение" воды цианобактериями с рекордно высокой первичной продукцией фитопланктона.
Цель работы — оценка изменений структурно-функциональных характеристик гетеротрофного бактериопланктона, гетеротрофных флагеллят и вириопланктона под влиянием аномально высокой температуры воды и мощного "цветения" водоема цианобактериями в нижнем течении р. Оки и Чебоксарском водохранилище.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Материал для исследования был собран в ходе работ комплексной экспедиции ИБВВ РАН во время рейса НЭС "Академик Топчиев" 25—28 июля 2010 г. на трех станциях в нижнем течении р. Оки и 17 станциях в Чебоксарском водохранилище. Определение количества вирусов, бактерий и гетеротрофных нанофлагеллят осуществляли в интегрированных образцах воды, которые получали смешиванием проб, отобранных через каждый метр от поверхности до дна. Сразу после отбора пробу воды фиксировали глутаральдегидом до конечной концентрации 2% и хранили в темноте при температуре 4°С.
Первичную продукцию фитопланктона определяли радиоуглеродным методом (Романенко, Кузнецов, 1974). Скорость фотосинтеза фитопланктона измеряли в пробах воды из поверхностного горизонта и в интегрированных пробах воды от поверхности до тройной прозрачности по диску Секки. Интенсивность фотосинтеза под 1.0 м2 водоема (2PPH, мг С/(м3 • сут)) рассчитывали по формуле SPPH = PPH х 0.7 L, где PPH — суточный фотосинтез в интегрированной пробе воды от поверхности до тройной прозрачности воды по диску Секки; 0.7 — коэффициент, характеризующий влияние ослабления света с глубиной на фотосинтез; L — расстояние до тройной прозрачности воды по диску Секки, м (Романенко, Кузнецов, 1974). Удельную скорость роста бактерий определяли методом разбавления (Landry, Hassett, 1982), а продукцию бактериопланктона — как произведение удельной скорости роста и биомассы.
Планктонные вирусные частицы учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием красителя SYBR Green I и фильтров из оксида алюминия Anodisc (Wathman, Великобритания) с диаметром пор 0.02 мкм (Noble, Fuhrman, 1998), гетеротрофные бактерии и нано-флагелляты — методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием красителей DAPI (Германия) и примулин и черных ядерных фильтров с диаметром пор 0.2 мкм (Porter, Feig, 1980; Caron, 1983). Препараты просматривали при увеличении 1000 раз под эпифлуоресцентным микроскопом Olympus BX51 (Япония) с системой анализа изображений. Содержание углерода в одной вирусной частице принимали равным 10-10 мкг С (Gonzalez, Suttle, 1993). Содержание органического углерода в сырой биомассе бактерий рассчитывали согласно уравнению, связывающему объем клетки (V, мкм3) и содержание углерода в клетке бактерии (Norland, 1993). Допуская, что гетеротрофный жгутиконосец в 1 ч осветляет объем воды, равный 105 объема его тела (Fenchel, 1982), ориентировочно рассчитывали скорость потребления бактерий природными популяциями гетеротрофных жгутиконосцев. Для расчетов неусвоенного бесцветным жгутиконосцем органического вещества принимали, что усвояемость бактерий равна 0.7.
Для определения частоты отчетливо видимых инфицированных вирусами гетеротрофных бактерий (Frequency of visibly infected cells (FVIC), % общего числа бактерий) и среднего числа зрелых фагов в инфицированных бактериях (Burst size (BS), частиц/кл.) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Вирусы и бактерии осаждали центрифугированием при 100000 g (35000 об./мин) в течение 1 ч с использованием ультрацентрифуги OPTIMA L-90k (Beck-man Coulter, США) на никелевые сеточки плотностью 400 отверстий на 1 мм2, покрытые плен-
кой из пиолоформа с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 1100 (Jeol, Япония) при увеличении в 50000—150000 раз. Для расчета доли всех инфицированных клеток в общей численности гетеротрофных бактерий (Frequency of infected cells (FIC), %) использовали уравнение FIC = 7.1 FVIC — 22.5 FVIC2 (Binder, 1999). Гибель бактериопланктона, вызванную вирусным лизисом (Viral-mediated mortality of bacteria (VMB), %), определяли по формуле VMB = (FIC + 0.6 FIC2)/(1 - 1.2 FIC) (Binder, 1999). Допускали, что инфицированные и неинфицированные бактерии выедаются консу-ментами с одинаковой скоростью, и латентный период равен времени генерации бактерий (Proctor et al., 1993). Полагали также, что численность бактериальных популяций остается постоянной, т.е. продукция бактерий равна их смертности. Скорость вирус- индуцированной смертности бактерий (Virus-induced mortality (VIM), кл./(мл • сут) или мг С/(м3 • сут)), рассчитывали с использованием уравнения VIM = VMB • PB, где PB — продукция бактериопланктона. Продукцию вирио-планктона (PV) определяли как произведение BS и VIM (Simek et al., 2001). Время оборота численности вирусов получали делением их численности на продукцию. Скорость поступления в окружающую водную среду, в процессе вирусного лизиса бактериальных клеток, легкоусвояемого органического вещества находили по разнице VIM и РВ (в мг С/(м3 • сут). Полученные значения были несколько завышены, поскольку в расчетах не учитывали энергетические траты вирусов на синтез белков капсида и процессы репликации нуклеиновых кислот, так как таковые отсутствуют в литературе.
Скорость контактов (RVB) между вирусами и бактериями рассчитывали по формуле RVB = (Sh2nwDv) VP (Murray, Jackson, 1992), где Sh — число Шервуда (использовали значение 1.01, принимаемое для неподвижных бактерий), w — диаметр бактериальной клетки, V и P — численности вирусов и бактерий соответственно, Dv — диффузия (распространение вирусов), которая рассчитывалась по формуле Dv = kT/3n^dv, где к — константа Больцмана (1.38 х 10~23 Дж К—1), Т — температура "in situ" (в градусах Кельвина), ц — вязкость воды и dv — диаметр вирусной капсиды.
При определении корреляционных зависимостей между параметрами использовали ранговый коэффициент корреляции Спирмена для уровня значимости 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В июле 2010 г. температура поверхностной воды на станциях исследования составляла 25— 29°С. Как в р. Оке, так и в Чебоксарском водохранилище была зарегистрирована очень высокая
ГЕТЕРОТРОФНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ И ВИРУСЫ В РЕКЕ ОКЕ
379
первичная продукция фитопланктона. Первичная продукция фитопланктона, рассчитанная под единицей площади водоема, в р. Оке составляла 2.25—2.33 (в среднем 2.29), а в Чебоксарском водохранилище — 0.43—10.96 (в среднем 3.09 ± 0.72) г С/(м2 • сут).
Численность бактериопланктона на большинстве станций превышала 10 млн. кл./мл, а биомассы — 1 г/м3. Минимальный и максимальный средние объемы бактериальной клетки различались в 2 раза. Удельная скорость роста бактерий заметно колебалась на исследованных участках. Время удвоения численности планктонных бактерий, рассчитанное исходя из удельной скорости роста, составляло 13—60 ч (в среднем 24 ± 4 ч). Продукция бактериопланктона также существенно варьировала, достигая максимального значения в районе устья р. Суры. В Чебоксарском водохранилище между интегральной первичной продукцией фитопланктона и продукцией бактериопланктона под 1 м2 наблюдалась положительная связь (R = = 0.55, P = 0.05).
В исследованный период были обнаружены высокие значения численности и биомассы гетеротрофных нанофлагеллят (ГНФ). Соотношения между концентрац
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.