научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЖЕЛЕЗО- И ФОСФАТАККУМУЛИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ В ПЛАНКТОНЕ И ПЕРИФИТОНЕ ВОД КАМСКОГО И БАЙКАЛЬСКОГО БАССЕЙНОВ Биология

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЖЕЛЕЗО- И ФОСФАТАККУМУЛИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ В ПЛАНКТОНЕ И ПЕРИФИТОНЕ ВОД КАМСКОГО И БАЙКАЛЬСКОГО БАССЕЙНОВ»

БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2007, № 2, с. 32-41

ВОДНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ

УДК 550.72:579.8.017.7

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЖЕЛЕЗО-И ФОСФАТАККУМУЛИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ В ПЛАНКТОНЕ И ПЕРИФИТОНЕ ВОД КАМСКОГО И БАЙКАЛЬСКОГО БАССЕЙНОВ

© 2007 г. А. И. Саралов*, С. М. Чикин*, С. П. Буршхаев**, Б. Б. Намсараев**

* Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН,

614081 Пермь, ул. Голева, 13, e-mail saralov@iegm.ru ** Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047 Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, д. 6 Поступила в редакцию 04.10.2005 г.

Обобщены результаты количественного учета железо- и фосфатаккумулирующих бактерий в микробных сообществах планктона и перифитона внутренних вод Камского и Байкальского бассейнов. Анализируются особенности их распространения в зависимости от рН, качественного и количественного состава соединений углерода, железа и фосфора в водных массах и обрастаниях подводных субстратов.

ВВЕДЕНИЕ

Ранее при изучении основных закономерностей распространения фосфатаккумулирующих бактерий (ФАБ) в поверхностных, подземных и сточных водах разного генезиса Западного Предура-лья, в прибрежных водах Белого и Баренцева морей обратили внимание на тесную взаимосвязь биогеохимических процессов круговорота Р и Fе, на необходимость выполнения гидрохимических анализов по содержанию и соотношению Feобщ и Р, определяющих особенности формирования орга-но-минеральной взвеси и эффективность самоочищения водоемов от загрязняющих веществ [1, 7-9, 11]. Однако сравнительные экологические исследования по учету ФАБ и железобактерий (ЖБ), известных своей геохимической деятельностью и важной ролью в самоочищении водоемов от соединений металлов, не были проведены [3, 6]. Оставались фактически неизученными возможности распространения ЖБ и ФАБ в обрастаниях гидрофильной растительности и каменистых субстратов в водоемах и речных экосистемах.

Цель работы - провести количественный учет ЖБ и ФАБ в сообществе микроорганизмов планктона и перифитона внутренних вод разного генезиса Камского и Байкальского бассейнов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В 2003-2004 гг. изучали реки ряда районов Пермской обл. (Кама, Сылва, Нытва, Вишера) и Республики Бурятия (Селенга, Баргузин), стратифицированное эвтрофное оз. Дикое и многочисленные источники холодных подземных нейтральных и слабокислых вод на водосборной площади

среднего течения р. Сылва, щелочные гидротермы Алла и Кучигер в верховье Баргузинской долины, мелководные содовые озера среди солончаков Юго-Восточного Прибайкалья, заболоченные заливы и каменистое прибрежье оз. Байкал. Описание ряда объектов Прикамья и Прибайкалья, их основные характеристики приведены в работах [1, 2, 4, 5, 7-9].

Отбор проб планктона и перифитона, микробиологические и гидрохимические анализы проводили по общепринятым в водной микробиологии методикам [6, 8]. Температуру, рН, Eh и содержание растворенного в воде 02 измеряли с помощью многопараметрического анализатора жидкости Экотест-2000Т, минерализацию воды - портативным кондуктометром TDS-4 (Сингапур). Перифи-тон изучали в смывах обрастаний с поверхности камней, листьев и стеблей макрофитов с одной стандартной площадки 115 см2 в 1.5 л природной воды [1]. Для сравнительной оценки изучаемых показателей в воде и перифитоне различных водных систем их значения рассчитывали на 1 м2 площади. Гравийно-галечные грунты обычно имеют сформировавшиеся обрастания в виде хлопьев или пленок толщиной до 0.1-0.3 см; смывы их с 1 м2 содержат в среднем 2 л осадка. При этом 1 м2 площади поверхности камней на песчанистом грунте в среднем по ряду учетных площадок оказался фактически равным 1 м2 дна, последний - в 1.8 раза меньше площади проекции на дно поверхности растений.

Общую численность бактерий (Аб), количество клеток ФАБ и ЖБ учитывали методом прямого счета с использованием их цитохимической окраски на мембранных фильтрах МШероге с диаметром

Таблица 1. Распределение железо- и фосфатаккумулирующих бактерий в планктоне и перифитоне стратифицированного оз. Дикое (6 июля 2004 г.)

Показатель Глубина от поверхности до дна, м Перифитон

0.5 2.0 4.0 5.5 Элодея Галька

Температура, °C 24.3 22.1 14.8 8.0 24.0 24.5

pH 9.6 9.4 7.9 6.4 8.8 7.7

Eh, мВ 820 525 68 -30 610 325

Растворенный O2, мг/л 10.8 8.6 1.7 0 10.5 4.6

^еобщ 280 500 1250 3020 405 560

P А общ 540 150 430 1280 220 200

FP • P А ^общ • А общ 0.5 3.3 2.9 2.4 1.8 2.8

N6 2.76 3.78 5.52 7.31 3.71 5.23

УТасс 8.8 1.6 2.0 1.2 3.8 1.2

Тасс, % фотосинтеза 5.9 1.1 17.3 - 19.6 16.7

ФАБ, % N6 0 5.7 2.1 2.7 1.1 11

ЖБ, % N6 7.1 18 10 7.4 8.2 10

Примечание. Здесь и в табл. 2-6: Геобщ и Робщ, мг в 1 м3 воды или в обрастаниях на 1 м2 дна, N - общая численность бактерий, 1012 кл./м3 или на 1 м2, УТасс - удельная темновая ассимиляция углерода углекислоты бактериями, мкг СДмлрд кл. • сут).

пор 0.22 мкм. Внутриклеточные гранулы волюти-на ФАБ выявляли по красной метахромазии толу-идинового синего, отложения окислов Fe3+ на поверхности клеток ЖБ - по синей метахромазии желтой кровяной соли, отложения Mn4+ у марганец-окисляющих бактерий - по сине-фиолетовой метахромазии соляно-кислого бензидина [6]. Фильтры просчитывали при увеличении х1500 на микроскопе Biolar (Польша).

Общий фосфор, ортофосфаты, сульфаты, гидрокарбонаты определяли, как описано ранее [7-9], Fe^ - после персульфатного сожжения по интенсивности окраски ортофенантролинового комплекса на КФК-2 при длине волны 490 нм, сумму истинно растворенных, коллоидных и отчасти взвешенных форм Fе (за вычетом грубодисперс-ных частиц) - в воде и смывах обрастаний, профильтрованных через мембранные фильтры Вла-дисарт с диаметром пор 1.20 мкм.

Интенсивность процессов фотосинтеза фитопланктона и фитоперифитона, темновой ассимиляции углерода углекислоты определяли радиоуглеродным методом [1, 6].

Радиоактивность бактериальных клеток на фильтрах измеряли с помощью жидкосцинтилля-ционного счетчика Wallac-1414 (фирма "Guardian", США). Корреляционный анализ проводили с использованием пакета программ Statistica (фирма "Statsoft", США).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Стратифицированное эвтрофное оз. Дикое имеет площадь 0.031 км2 и максимальную глубину 6 м. В начале июля температурный скачок распо-

лагался на глубине от 2 до 4 м (табл. 1). Содержание растворенного O2, значения рН и Eh быстро понижались в металимнионе. Глубже лежали придонные слои воды анаэробного гиполимниона с высоким содержанием Fe, P, гидрокарбонатов, сульфатов и общего количества бактерий.

Повышенная численность железо- и марганец-окисляющих бактерий (18% от 3.8 млн кл./мл) отмечена в нижней части эпилимниона. Среди ЖБ в водной массе озера и в обрастаниях подводных субстратов доминировали одноклеточные микроорганизмы морфотипа Siderocapsa-Arthrobacter и Ochrobium. В числе сопутствующих видов ЖБ присутствовали микроколонии марганецокисляющих бактерий морфотипа Metallogenium (2-10% ЖБ) и одноклеточные цианобактерии родов Synechocys-tis и Gloeocapsa (0.3-0.6% ЖБ). В насыщенных 02 поверхностных слоях воды с высокими значениями рН 9.6 и Eh = +820 мВ орудненные капсулы Siderocapsa-Arthrobacter многократно превышали объем самих клеток. Массивные отложения ускоряли седиментацию скоплений ЖБ, что приводило к падению концентрации Fe^ у поверхности и перераспределению Fe и P в водной толще. В начале летней стратификации отношение Fe^ : Робщ уже успело понизиться до 0.5 на глубине 0.5 м по сравнению с 1.8-3.3 на других глубинах и в обрастаниях камней и макрофитов. Численность клеток ФАБ с волютином (полифосфатами) оказалась очень низкой (0-5.7% N6) в водной массе озера и в составе перифитона на мелколистной элодее канадской (Elodea canadensis Michx.). Только в обрастаниях гальки при пониженной удельной активности гете-

Таблица 2. Железо- и фосфатаккумулирующие бактерии в планктоне и перифитоне р. Кама ниже устьев рек Вишера и Нытва (июль 2004 г.)

Место отбора проб Т, °С рН 02, мг/л реобщ рО : Р А ^общ • А общ Аб УТасс ФАБ ЖБ

% Аб

0.2 км ниже устья р. Вишера:

вода руслового потока 26.2 7.7 9.6 850 10.4 2.16 2.7 0.4 13

вода у левого берега 26.1 8.0 9.0 930 15.5 2.19 1.9 4.4 19

вода у правого берега 26.9 8.0 8.9 880 10.6 1.93 2.9 2.1 16

галька у правого берега 26.9 - - 1920 10.8 2.70 0.7 8.2 11

0.1 км ниже устья р. Нытва:

вода в зоне смешения вод 23.6 8.3 7.6 380 5.7 6.61 1.2 0.9 8.0

Potamogeton Брр. 23.0 8.3 7.6 900 8.5 1.76 1.9 5.6 9.9

галька 23.6 - - 1960 15.2 4.27 0.4 12 11

ротрофной фиксации 14С-СО2 количество ФАБ (11% Аб) было не меньше, чем ЖБ (10% Аб).

В эпилимнионе и в верхней части гиполимнио-на в массе развивались синезеленые водоросли (цианобактерии) родов OscШatoria и АпаЪаепа. Темновая фиксация 14С-углекислоты в металим-нионе составила 1.1-5.9% фотосинтеза за 1 сут, под термоклинном на глубине 4 м и обрастаниях подводных субстратов - 16.7-19.6%. Отмирающие водоросли и оседающий детрит способствовали созданию восстановительных условий в донных отложениях (Eh = -104 мВ, рН 5.7), трансформации коагулированных гидроокисей металлов в подвижную закисную форму ^е(ОН)2, Мп(ОН)2, Fe(HS)2, Fe(HCO3)2, Са2НР04С03), концентрированию Fе вместе с фосфатами в иловом растворе и диффузии их обратно в водную толщу, где Fe2+ могло вновь окисляться ЖБ. При этом гидроокись Fe обычно служит основой гелеобразной структуры для железофосфатных коллоидов, например типа Fe2[OOH]1 - х • [(ОН)3]х • [Р04], продуцируемых в одном из эвтрофных озер [12], поэтому здесь круговороты С, Fe и Р тесно сопряжены между собой. Функциональная роль ЖБ представляется исключительно важной, а ФАБ - второстепенной.

В р. Кама в силу почвенно-геохимического своеобразия водосборного бассейна среднегодовая концентрация Feобщ в ее верховьях >1.2 мг/л, равномерно понижается вниз по течению на расстоянии >540 км до 0.4 мг/л, несмотря на существенное техногенное воздействие на территории Пермской обл. (табл. 2 и 3). Относительное содержание Робщ, однако, возрастает в ~2 раза и повышается общая численность бактерий. Высокое содержание Fе в р. Каме, обусловленное естественными и техногенными факторами, и замедление скорости течения при

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.

Показать целиком