БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2012, № 1, с. 41-51
^ ВОДНАЯ
МИКРОБИОЛОГИЯ
УДК 574.583(285.2):579+504.4.054:628.39
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПЛАНКТОННЫХ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ РЫБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ КРУПНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ЦЕНТРА
© 2012 г. А. И. Копылов*, Т. В. Иевлева**, Т. С. Масленникова*, Е. А. Заботкина*
*Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, e-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru **Череповецкий государственный университет, 162000 г. Череповец, Вологодская обл., проспект Луначарского, 5 Поступила в редакцию 16.11.2010 г.
Изучены первичная продукция фитопланктона, количественное распределение бактериопланкто-на, гетеротрофных нанофлагеллят и вирусов, а также содержание в воде мелкодисперсного детрита в районах Рыбинского водохранилища, в разной степени подверженных многолетнему воздействию коммунальных и промышленных сточных вод г. Череповца. Выявлены структурно-функциональные особенности микробных сообществ загрязненных участков. Показано, что в исследованный период основная роль в потреблении продукции бактериопланктона принадлежит гетеротрофным нанофлагеллятам.
Ключевые слова: гетеротрофные нанофлагелляты, вирусы, бактерии, микробные сообщества, водохранилище.
ВВЕДЕНИЕ
Микробное сообщество (бактерии, простейшие) и вирусы — важнейшие компоненты планктонных сообществ, играют значительную роль в трансформации вещества и энергии в водных экосистемах. Основную роль в минерализации органического вещества в озерах и водохранилищах выполняют бактерии и простейшие [10]. Гетеротрофные бактерии, обладая высокой скоростью размножения и широким спектром конструктивных и адаптивных энзимов, способны функционировать в различных условиях загрязнения, трансформируя его и способствуя самоочищению водоемов. Во многих водоемах основные потребители бактериопланктона — гетеротрофные нанофлагелляты [21]. Предполагается, что гетеротрофные нанофлагелляты стимулируют деятельность гетеротрофных бактерий за счет ускорения регенерации биогенных элементов, а также вследствие выделения небольших количеств органических соединений, способствующих более быстрой утилизации других органических соединений [12]. Огромная роль бактериотрофных нанофлагеллят состоит в самоочищении открытых водоемов от патогенной микрофлоры [11]. Вирусы также не только вызывают гибель бактерий, но и стимули-
руют рост и размножение неинфицированной части бактериопланктона, поскольку при вирусном лизисе выделяется значительное количество органических субстратов и соединений биогенных элементов [23].
Северо-восточная часть Рыбинского водохранилища (Шекснинский плес) испытывает многолетнее действие коммунальных и промышленных сточных вод крупного промышленного комплекса г. Череповца. Результаты предыдущих исследований структурно-функциональных характеристик планктонных сообществ указывали на значительное антропогенное загрязнение и эвтрофирование этого участка водохранилища [3, 5, 7, 8]. Микробиологические исследования, проведенные в 1993 г. в Шекснинском плесе и водотоках в районе г. Череповца, свидетельствовали об избыточном количестве поступающих в воду этого участка водохранилища разнообразных органических соединений, в частности нефтяных углеводородов [2].
Цель работы — изучить структурно-функциональные характеристики микрогетеротрофов и на их основе дать оценку экологического состояния этого района Рыбинского водохранилища в современный период.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работы на Рыбинском водохранилище проводили в августе 2009 г. Кроме того, использованы материалы, полученные авторами в августе 1989, 1994, 1997, 2005 и 2007 гг. Изучали образцы воды, отобранные в черте г. Череповца в устьях рек Ягор-ба, Серовка, Кошта и на участке р. Шексна, непосредственно принимающем стоки городских очистных сооружений (ГОС). Для сравнительного анализа первичной продукции фитопланктона и структурно-функциональных характеристик мик-рогетеротрофов исследовали также участок р. Шексна, расположенный выше города (ст. Ка-бачино), станции Шекснинского плеса (Ваганиха, Каргач, Любец, Мякса), в той или иной степени испытывающие влияние г. Череповца, а также станции (Средний Двор, Наволок) центральной части водохранилища (рис. 1).
Первичную продукцию фитопланктона определяли радиоуглеродным методом [9]. Интегральную величину первичной продукции планктона под 1 м2 (LPp) рассчитывали на основании скорости оптимального фотосинтеза (Рр) и прозрачности воды [1]: "LPp = Рр х Т, где Т, м — прозрачность воды.
Количество вирусов и бактерий определяли в интегрированных образцах воды, которые получали смешиванием проб, отобранных через 1 м от поверхности до дна. Сразу после отбора воду фиксировали глутаральдегидом до конечной концентрации 2%, хранили в темноте при температуре 4°С.
Планктонные вирусные частицы учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома SYBR Green I и фильтров из оксида алюминия Anodisc (Wathman) с диаметром пор 0.02 мкм [17]; гетеротрофные бактерии — флуорохрома DAPI и черных ядерных фильтров с диаметром пор 0.2 мкм (Nuclepore) [19]. Препараты просматривали при увеличении х1000 под эпифлуоресцентным микроскопом Olympus BX51 (Япония) с системой анализа изображений. На каждом фильтре подсчитывали >400 вирусов и бактерий в 10—20 полях зрения и измеряли >100 бактерий. Объемы бактерий вычисляли по формулам объемов шара, цилиндра или эллипсоида. Содержание органического углерода в сырой биомассе бактерий рассчитывали по уравнению, связывающему объем клетки (V, мкм3) и содержание углерода (С, фг С/кл.): С = 120 х V072 [18]. Содержание углерода в одной вирусной частице принимали равным 2 х 10-10 мкг С. Интенсивность темновой ассимиляции СО2 измеряли радиоизотопным методом [9]. Принимали, что темновая ассимиляция СО2 составляет 6% прироста биомассы бактерий. На основании данных о биомассе и продукции бактериопланктона рассчи-
тывали удельную скорость роста бактериопланк-тона [4].
Для определения частоты отчетливо видимых инфицированных вирусами бактерий (Frequency ofvisibly infected cells (FVIC), % общего количества бактерий) и среднего количества зрелых фагов в инфицированных бактериях (Burst size (BS), ча-стиц/кл.) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Инфицированными считали бактериальные клетки, содержащие >5 зрелых фаговых частиц. Вирусы и бактерии осаждали центрифугированием при 100000 об/мин (35000 g) в течение 1 ч с использованием ультрацентрифуги OPTIMAL L-90k c ротором 45i на никелевые сеточки для электронной микроскопии плотностью 400 мешей, покрытые пиолоформом с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 100C (Jeol, Япония) при увеличении 50000—150000 раз.
Зрелые фаги становятся хорошо видимыми в хозяйской клетке только в конце латентного периода непосредственно перед лизисом клетки. Для расчета доли всех инфицированных клеток в бак-териопланктоне (FIC, % общего количества бактерий) использовали уравнение FIC = 7.1 х FVIC — — 22.5 х FVIC2 [14]. Смертность бактериопланкто-на, вызванную вирусным лизисом (Viral-mediated mortality ofbacteria (VMB), %), определяли по формуле VMB = (FIC + 0.6 х FIC2)/(1 - 1.2 х FIC) [14]. Допускали, что инфицированные и неинфициро-ванные бактерии выедаются консументами с одинаковой скоростью и латентный период равен времени генерации бактерий [20]. Полагали также, что численность бактериальных популяций остается постоянной. Скорость вирусиндуцированной смертности бактерий (Virus-induced mortality (VIM), кл./(мл • сут)), рассчитывали с использованием уравнения VIM = VMB х PBAC, где PBAC — продукция бактериопланктона.
Численность гетеротрофных нанофлагеллят определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома примулин [15]. Допуская, что гетеротрофный жгутиконосец за 1 ч осветляет объем воды, равный 105 объема его тела [16], ориентировочно рассчитывали скорость потребления бактерий природными популяциями гетеротрофных жгутиконосцев. Коэффициент использования потребленной пищи на рост (Z1) принимали равным 0.33, а коэффициент использования усвоенной пищи на рост (К2) — 0.5.
При обработке данных использовали стандартные программы для персональных компьютеров Statistica 6.0 и Table Curve. При установлении корреляционных зависимостей между исследованными параметрами использовали ранговый коэффициент корреляции Спирмена для уровня значимости 0.05.
Рис. 1. Карта-схема станций отбора проб в Центральном и Шекснинском плесах Рыбинского водохранилища: 1 — Ка-бачино, р. Шексна, выше г. Череповца, 2 — устье р. Ягорба, 3 — устье р. Серовка, 4 — устье р. Кошта, 5 — р. Шексна у ГОС, 6 — о. Ваганиха, 7 — о. Каргач, 8 — Любец, 9 — Мякса, 10 — Средний Двор, 11 — Наволок.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ду поверхностным и придонным слоями воды от-
мечены незначительные температурные различия. Период исследований характеризовался доста- Наибольшая прозрачность воды обнаружена в точно высокой температурой воды (табл. 1). Меж- центральной части водохранилища. По мере при-
Таблица 1. Характеристика условий наблюдений и первичная продукция фитопланктона в единице объема воды (Рр, мкг С/(л • сут)) и под единицей площади водоема (2Рр, мг С/(м2 • сут)) в Шекснинском и Центральном плесах Рыбинского водохранилища 10—20 августа 2009 г.
Номер станции Глубина, м Температура, °С Прозрачность, см Рр ЪРр
1 10.0 21.2 100 672 672
2 1.5 22.5 35 1602 561
3 4.5 21.4 80 1036 827
4 10.0 20.2 95 753 715
5 4.5 25.0 80 821 657
6 8.5 20.2 100 816 816
7 7.0 19.8 100 696 696
8 11.0 20.3 110 708 778
9 12.0 20.4 110 549 604
10 8.0 21.8 150 556 833
11 8.0 21.6 160 398 636
Таблица 2. Численность (ЛБ), средний объем клетки (V), биомасса (Вб), суточная продукция (РБ) и удельная скорость роста (ц) бактериопланктона в среднем для столба воды в р. Шексна и Шекснинском плесе Рыбинского водохранилища в августе 2009 г.
Номер станции ЛБ, 103 экз./мл въ, 3 мг/м3 Вб, мг С/м3 Рб, 103 экз./(мл • сут) Рб, мг С/(м3 • сут) Ц, ч 1 2Рб, мг С/(м3 • сут) ЕРб/ЕРф, %
1 5683.4 754.5 150.6
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.