ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 437, № 1, с. 139-141
^ ОБЩАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^
БИОЛОГИЯ
УДК 574.583(285.2):579+578(285.2)
ВЛИЯНИЕ ВИРУСОВ НА ГЕТЕРОТРОФНЫЙ БАКТЕРИОПЛАНКТОН И ПИКОЦИАНОБАКТЕРИЙ ВОДОХРАНИЛИЩ
© 2011 г. А. И. Копылов, Д. Б. Косолапов, Е. А. Заботкина
Представлено академиком А. Ф. Алимовым 06.09.2010 г. Поступило 15.09.2010 г.
Вирусы в водных экосистемах выполняют важные функции контроля численности, продукции и разнообразия бактерио- и фитопланктона, оказывают существенное влияние на биогеохимические циклы углерода и других элементов [1]. Анализ литературы по экологии водных вирусов показывает, что в настоящее время пресные водоемы гораздо менее изучены в этом направлении, чем морские [2]. В литературе приводятся результаты исследования вириопланктона озер, сведения же о вириопланктоне водохранилищ единичны [3—5], и это в значительной степени ограничивает представления о функционировании этой широко распространенной группы искусственных водных объектов. Нами впервые исследовано количественное распределение планктонных вирусов, а также изучена их роль как фактора смертности гетеротрофных бактерий и пикоцианобак-терий в водохранилищах Волго-Балтийского бассейна.
Исследования проводили в июле—августе 2005 и 2007 гг. Планктонные вирусные частицы учитывали методом эпифлуоресцентной микроскопии с использованием флуорохрома SYBR Green I и фильтров из оксида алюминия Anodisc ("Wath-man") с диаметром пор 0.02 мкм [6]; гетеротрофные бактерии определяли с помощью окраски флуорохромом DAPI [7]. Численность пикоци-анобактерий определяли методом эпифлуорес-центной микроскопии по автофлуоресценции их клеток [8]. Вирусы, бактерии и цианобактерии наблюдали при увеличении в 1000 раз под эпи-флуоресцентным микроскопом Olympus BX51 (Япония) с системой анализа изображений. Для определения частоты отчетливо видимых инфицированных вирусами гетеротрофных бактерий и пикоцианобактерий (Frequency of visibly infected cells (FVIC), % количества бактерий) и среднего количества зрелых фагов в инфицированных бактериях (Burst size (BS), частиц/кл) использовали метод просвечивающей электронной микроско-
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина Российской Академии наук, п. Борок Ярославской обл.
пии. Вирусы и бактерии осаждали центрифугированием при 100000 g (35000 об/мин) в течение 1 ч с использованием ультрацентрифуги OPTIMAL L-90k ("Beckman Coulter", США) на никелевые сеточки плотностью 400 мешей, покрытые пиолофор-мом с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 100C ("Jeol", Япония) при увеличении в 50000—150000 раз. Для расчета доли всех инфицированных клеток от численности гетеротрофных бактерий и пикоци-анобактерий (Frequency of infected cells (FIC), % количества бактерий) и смертности бактерий, вызванной вирусным лизисом (Viral-mediated mortality of bacteria (VMB), % суточной продукции бактерий), использовали общепринятые методы [9, 10]. Допускали, что содержание углерода в 1 вирусной частице составляет 10-10 мкг С [11].
Проведенные нами исследования выявили, что вирусы являются наиболее многочисленным компонентом планктона водохранилищ Волго-Балтийского бассейна. Количество внеклеточных вирусных частиц составляло десятки—сотни миллионов частиц в 1 мл воды и в 2.5—9.0 раз превышало количество бактерий (табл. 1). Наибольшая величина численности вириопланктона была зарегистрирована в эвтрофном Иваньковском водохранилище. Однако на долю вирусов приходилось только 0.2—1.0% (в среднем для всех водохранилищ 0.6%) общей биомассы планктона водохранилищ, которая находилась в пределах 594—893 мг С/м3 (в среднем 692 мг С/м3).
В период проведения наших исследований количество вириопланктона слабо коррелировало с первичной продукцией фитопланктона. В то же время удалось выявить тесную связь численности вирусных частиц с численностью (r = 0.85, p < < 0.05), биомассой (r = 0.80, p < 0.05) и продукцией (r = 0.71, p < 0.05) гетеротрофных бактерий.
С помощью просвечивающей электронной микроскопии установлено, что в одной инфицированной бактериальной клетке находилось до 403 фаговых частиц (BS), но в среднем для пробы их количество обычно не превышало 100 частиц/кл (табл. 2). Средняя величина BS составила 36 фагов. Исследования выявили высокую зара-
140
КОПЫЛОВ и др.
Таблица 1. Средние для столба воды значения численности гетеротрофного бактериопланктона (^ВАС, 106 кл/мл) и количества вириопланктона (ДОу^, 106 частиц/мл) в водохранилищах
Водохранилище п ^ВАС ^ут/^вАС
Иваньковское 11 12.0 (6.2-31.0) 55.2 (15.7-120.3) 4.5 (2.5-7.0)
Угличское 10 10.2 (5.4-15.3) 42.9 (21.7-73.8) 4.2 (3.1-5.0)
Рыбинское 35 6.2 (3.2-12.8) 30.2 (11.4-67.7) 5.2 (2.6-9.0)
Горьковское 16 9.9 (4.4-13.6) 49.1 (21.2-85.6) 4.9 (3.2-6.9)
Чебоксарское 4 8.8 (7.7-9.8) 30.6 (26.3-36.6) 3.5 (2.9-3.7)
Шекснинское 12 6.2 (3.5-8.0) 20.4 (9.4-24.8) 3.4 (2.5-5.0)
Новинкинское 1 6.2 23.2 3.7
Примечание. Приведены среднее значение параметра и в скобках — его минимальное и максимальное значения. п - число станций отбора проб.
Таблица 2. Доля в гетеротрофном бактериопланктоне видимых инфицированных клеток (БУГС, % его численности), доля инфицированных клеток (Б1С, % численности), вирусиндуцированная гибель бактериопланктона (УМВ, % его суточной продукции) и среднее количество зрелых фаговых частиц в клетках инфицированных гетеротрофных бактерий (ВЯ, частиц/кл)
Водохранилище БУТС Б1С УМВ ВЯ
Иваньковское 1. 2-3.6 8. 3-22. 4 10.5 -3 4.8 17 - 83
2 . 1 ± 0.3 14 .0 ± 2.0 19. 1 ± 3 . 4 58 ± 9
Угличское 1. 4-5.8 9. 4-33. 5 14.2 -4 0.2 23- 109
2 .7 ± 0 .4 17 .3 ± 2.5 23. 5 ± 3 . 0 45 ± 9
Рыбинское 1. 0-4.0 6. 9-24. 8 7. 8-40. 6 7 -43
2 .6 ± 0 .2 1 6 .5 ± 1.1 2 3.6 ± 2.0 2 4 ± 2
Горьковское 0. 8-3.8 5. 5-23. 7 6. 1-37. 8 17 - 72
2.3 ± 0.2 1 5.1 ± 0.2 2 0.5 ± 2.3 41 ± 4
Чебоксарское 1. 7-4.0 1 1.4 -24.8 1 4 .1 -4 0.6 23-58
2.6 ± 0.5 16. 8 ± 3 . 2 24. 8 ± 6 . 0 35 ± 8
Шекснинское 0. 8-3.8 5. 5-23. 7 6. 1-37. 8 12 - 47
1 . 8 ± 0 .3 1 1 .7 ± 1.5 1 5.0 ± 2.4 23 ± 3
Новинкинское 1.5 10.0 12.0 24
Примечание. Здесь и в табл. 3 над чертой минимальное и максимальное значение параметра, под чертой — его среднее значение ± ошибка средней.
женность гетеротрофных бактерий вирусами и их значительную смертность в результате лизиса вирусами (табл. 2). Инфицированные бактерии составляли в среднем 14.5% численности бактериопланктона, а его гибель в результате вирусного лизиса — 20% его суточной продукции.
Пикоцианобактерии являются существенным компонентом летнего фитопланктона волжских водохранилищ [12]. В период проведения наших исследований их численность изменялась в пределах (83—367) ■ 103 кл/мл, биомасса — 117—514 мг/м3. Максимальное количество зрелых фаговых частиц, обнаруженное в 1 инфицированной клетке пикоцианобактерий (ВЯ), оказалось равным 305. Средняя величина ВЯ составила 16 фагов/кл, что
в 2.3 раза ниже, чем у гетеротрофного пикопланк-тона (табл. 3). Степень инфицирования фагами и вирусиндуцированная смертность пикоциано-бактерий оказались в среднем в 2 раза выше в ме-зоэвтрофном Рыбинском водохранилище по сравнению с мезотрофным Шекснинском водохранилищем: 14 и 7% численности пикоцианобактерий и 21 и 11% суточной продукции пи-коцианобактерий соответственно. В среднем величины этих параметров были близки к таковым гетеротрофного бактериопланктона водохранилищ (табл. 2). Смертность пикоцианобактерий в результате лизиса вирусами возрастала на локальных участках с "цветением" воды фитопланктоном и районах, испытывающих загрязняющее
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 437 № 1 2011
ВЛИЯНИЕ ВИРУСОВ НА ГЕТЕРОТРОФНЫЙ БАКТЕРИОПЛАНКТОН 141
Таблица 3. Доля в сообществе пикоцианобактерий видимых инфицированных клеток (БУТС, % их численности), доля инфицированных клеток (Б1С, % численности), вирусиндуцированная гибель пикоцианобактерий (УМВ, % их суточной продукции) и среднее количество зрелых фаговых частиц в клетках инфицированных пикоцианобактерий (В$, частиц/кл)
Водохранилище Район FVIC FIC VMB BS
Шекснинское Оз. Белое 0. 6-2.9 1 . 6 ± 0 .7 3 .0 -14.5 7.8 ± 3. 7 4. 5-24. 5 12.4 ± 6.4 5 -8 1 2 0 ± 2 5
Русловая часть 0. 7 - 1.5 1 . 2 ± 0 .3 3. 5-7.5 5 . 9 ± 1 .5 5 .2 -12 .9 9.0 ± 2.6 5 -26 1 2 ± 8
Рыбинское У г. Череповец 5.3 26.5 52.0 16
Центральная часть 2. 0 -4.5 3 . 0 ± 1 .3 1 0.0 -2 2.5 15. 0 ± 6 . 6 16 .0 -41 .9 2 6 .2 ± 13. 8 7 -14 1 1 ± 4
Западная часть 1. 0-3.8 2 . 2 ± 0 .7 5. 0- 19. 0 1 1 .1 ± 3.5 7. 6-33. 8 18.8 ± 6.5 6 -44 2 1 ± 8
влияние населенных пунктов, где она достигала
42—52% суточной продукции пикоцианобактерий.
В процессе вирусного лизиса клеток гетеротрофных бактерий и пикоцианобактерий в водную толщу исследованных водохранилищ выделялось
43—213 (в среднем 108) мг С/м2 ■ сут органических веществ, что составляло 5—73% (в среднем 18.8%) интегральной первичной продукции планктона. Эти легкоокисляемые вещества активно потребляются гетеротрофными бактериями, в результате чего часть первичной и вторичной бактериальной продукции не попадает на более высокие уровни трофических сетей водохранилищ.
Таким образом, планктонные вирусы являются постоянным и наиболее многочисленным компонентом планктонных сообществ водохранилищ, играющим важную роль в регулировании численности и продукции как гетеротрофного, так и ав-тотрофного пикопланктона. Доля бактериальной продукции, которая лизируется вирусами, сравнима с таковой, потребляемой простейшими. В результате деятельности вирусов значительная часть углерода бактерий циркулирует в пределах вирусной "петли" (бактерии—вирусы—РОВ).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 08-04-00441).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Weinbauer M.G. // FEMS Microbiol. Rev. 2004. V. 28. P. 127-181.
2. Wilhelm S.W., Matteson A.R. // Freshwater Biol. 2008. V. 53. P. 1076-1089.
3. SimekK., Pernthaler J, Weinbauer M.G., et al. // Appl. Environ. Microbiol. 2001. V. 67. № 6. P. 2723-2733.
4. Peduzzi P., Schiemer F. // Environ. Microbiol. 2004. V. 6. № 7. P. 707-715.
5. Pradeep Ram A.S., Boucher D, Sime-Ngando T., et al. // Microb. Ecol.
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.