БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2007, № 1, с. 23-29
== ВОДНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ =
УДК 556.115574 (289)
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОСЛЕЙ И ИНФУЗОРИЙ НА БАКТЕРИАЛЬНОЕ
ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА
© 2007 г. П. П. Уморин
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н Поступила в редакцию 13.04.2005 г.
На установках, имитирующих условия летней стратификации природных водоемов, проведены эксперименты по выяснению влияния взаимоотношений бактерий, водорослей и простейших на скорость окисления метана при высоком и низком уровнях минерального N в среде. Максимальные скорости окисления соответствовали средним концентрациям N высокие уровни подавляли окисление метана, по-видимому, по механизму конкурентного торможения. Наиболее благоприятные условия для окисления метана создаются в сообществе при совместном присутствии водорослей и простейших. Экологические взаимоотношения в сообществе бактерий, водорослей и инфузорий складываются таким образом, что спектр питания инфузорий влияет на скорость окисления метана бактериями. Это влияние статистически значимо лишь при низком уровне доступного для бактерий растворенного N. При этом инфузории, питающиеся водорослями, ускоряют данный процесс по сравнению с инфузориями, не потребляющими водоросли. Механизм указанного ускорения - подавление инфузориями конкурента бактерий за растворенный N.
ВВЕДЕНИЕ
В мировой литературе давно обращается внимание на малую изученность роли экологических взаимоотношений (хищничества, конкуренции и т.п.) между водными микроорганизмами в осуществляемых ими важнейших гидробиологических процессах. Немногочисленные работы в указанной области касаются роли простейших в процессах самоочищения водоемов. В них рассматриваются вопросы влияния простейших на бактериальную деструкцию органического вещества, в основном через их участие в процессах круговорота биогенов. Совместное влияние простейших и водорослей на интенсивность осуществляемых бактериями процессов не рассматривалось. Не изучалось и конкретно влияние водорослей и инфузорий на скорость бактериального окисления метана.
Цель данной работы - изучить влияние взаимоотношений бактерий, водорослей и простейших на скорость окисления метана, одного из важнейших гидробиологических процессов.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для решения поставленной цели проведены эксперименты на описанных ранее [6] установках, имитирующих условия термо- и хемоклина во время летней стратификации водоемов. Суть имитации заключалась в том, что перед началом экспериментов включали циркуляцию охлаждающей жидкости по трубке, пропущенной через донные
осадки для образования устойчивого крутого термоградиента в водном столбе над донными осадками. Он образовывался в слое 17-22 см от поверхности грунта. В дальнейшем пробы воды для подсчета организмов и гидрохимических анализов брали из середины этого слоя (19-20 см от дна), называемого далее "термоклин". В этом же слое формировался и наибольший градиент концентраций кислорода или оксиклин. Его содержание в указанном слое составляло в среднем 1.9 мг/л, у поверхности донных осадков - 0.5 мг/л, т.е. условия окисления метана были аэробными. Установки освещали люминесцентными лампами, освещенность в районе хемоклина составляла 5200 лк.
Поскольку для работы имелось четыре лабораторные установки, одновременно проводили одну серию экспериментов, включающую четыре варианта без повторностей или два варианта по две по-вторности. В течение двух лет проведены последовательно шесть серий (длительность одной серии >60 сут) экспериментов, схема которых с указанием уровней N и использованных организмов приведена в таблице. Установки заполняли средой Чу-10, в которой содержание растворенных форм N варьировали, чтобы обеспечить лимитирование по N в нужных вариантах. Во все установки в начале экспериментов вносили пастеризованный (для исключения попадания в эксперименты незапланированных видов водорослей и простейших) ил со дна пруда, из которого развивались позднее метан-окисляющие бактерии, присутствующие во всех вариантах.
Схема экспериментов; нитрат 0.1 мг/л
Серия Вариант (число повторностей) Аммоний, мг/л Организмы, взятые в эксперимент
I 1(1) 0.1 Бактерии
2(1) 0.1 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum
3(1) 0.1 Бактерии + водоросли Scenedesmus quadricauda
4(1) 0.1 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum + водоросли Scenedesmus quadricauda
II 1(2) контроль 0.1 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum
2(2) опыт 0.1 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum + водоросли Scenedesmus quadricauda
III 1(1) 0.8 Бактерии
2(1) 0.8 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum
3(1) 0.8 Бактерии + водоросли Scenedesmus quadricauda
4(1) 0.8 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum + водоросли Scenedesmus quadricauda
IV 1(2) контроль 0.8 Бактерии + водоросли Scenedesmus quadricauda
2(2) опыт 0.8 Бактерии + инфузории Paramecium caudatum + водоросли Scenedesmus quadricauda
V 1(2) 0.0 Бактерии + водоросли Diatoma elongatum + инфузории Paramecium caudatum
2(2) 0.0 Бактерии + водоросли Diatoma elongatum + инфузории Cyclidium glaucoma
VI 1(2) 1.0 Бактерии + водоросли Diatoma elongatum + инфузории Paramecium caudatum
2(2) 1.0 Бактерии + водоросли Diatoma elongatum + инфузории Cyclidium glaucoma
Из простейших использовали инфузории Paramecium caudatum и Cyclidium glaucoma, из водорослей - Scenedesmus quadricauda и Diatoma elongatum, выращенного в лабораторных культурах. В первых четырех сериях виды водорослей и инфузорий подбирали с таким расчетом, чтобы водоросли не потреблялись инфузориями в пищу. Первая серия носила разведывательный, предварительный характер. Для того чтобы судить о статистической достоверности результатов, проведена вторая серия экспериментов. При этом поставлен вариант "инфузории" (условно названный "контроль") и вариант "инфузории + водоросли" ("опыт"). Третья и четвертая серии экспериментов поставлены с теми же вариантами, что и первая, и вторая, но при высоком уровне минерального N в исходной среде. В четвертой серии в качестве "контроля" взят вариант "водоросли", так как представляло интерес, как пойдут процессы в "крайних" вариантах с самой высокой и самой низкой скоростями окисления метана.
В сериях 5 и 6 взята диатомовая водоросль D. elongatum. Ее измельчавшая лабораторная культура (размер клеток <40 мкм) хорошо потреблялась инфузориями Paramecium caudatum, но не потреблялась инфузориями Cyclidium glaucoma вследствие малых размеров (~50 мкм). Таким образом, эти серии поставлены для выявления влияния пищевого спектра инфузорий на скорость окисления метана бактериями.
Эксперименты начали введением в установку под донные отложения 250 мл метана (в результате под ними образовывался газовый пузырь) и
инокулята живых организмов через отвод в области термоклина. Они проведены до наступления постоянных измеряемых величин в термоклине. Для этого в каждой серии потребовалось ~60 сут. На каждые третьи-четвертые сутки определяли численность живых организмов и их средние размеры для вычисления биомасс. Бактерии подсчитывали методом Разумова на мембранных фильтрах, водоросли - в камере Богорова. Концентрации двух форм N нитратной и аммонийной (восстановленной), определяли по стандартным методикам. Содержание метана в термоклине и газовой фазе (над столбом жидкости) экспериментальной установки определяли на газовом хроматографе ЛХМ-8МД с разделением на колонках с молекулярным ситом 5 а в потоке гелия как газа-носителя и с применением пламенно-ионизационного детектора.
О скорости окисления метана судили по его концентрациям в термоклине и газовой фазе. Более показательными считали данные по концентрации СН4 в газовой фазе, поскольку они свидетельствуют о том, какому количеству метана удалось избежать окисления на границе донных осадков и в столбе воды и выйти в атмосферу. Сравнивали также изменения во времени (динамику) значений основных компонентов систем в опыте и контроле для того, чтобы судить об общем ходе процессов в них. В экспериментах серий 2, 4-6 определяли статистическую достоверность различий в значениях между опытом и контролем по /-критерию с использованием методики, изложенной в работах [4, 10]. Эти различия развивались,
Рис. 1. Динамика содержания метана (мг/л) в газовой фазе в эксперименте 1: 1 - контроль, 2 - инфузории, 3 - водоросли, 4 - инфузории и водоросли.
Рис. 2. Динамика восстановленного азота в эксперименте 1: левая ось ординат - варианты 2 и 4, правая - 1 и 3. Остальные обозначения, как на рис. 1.
как правило, к концу экспериментов, поэтому достоверность разниц вычисляли лишь по последним шести измерениям, начиная с ~40-х суток эксперимента. На графиках приведены динамики компонентов наиболее важных для понимания экспериментальных результатов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В первой серии экспериментов к концу периода наблюдений установились различия между всеми вариантами в концентрациях метана растворенного и метана в газовой фазе. Особенно четкими эти различия были в газовой фазе (рис. 1). Самые низкие концентрации СН4 обнаружены в варианте 4, а самые высокие - в варианте 3; промежуточные значения получены в вариантах 1 и 2. Таким образом, быстрее всего метан окислялся при совместном присутствии инфузорий и водорослей, немного медленнее - в присутствии одних инфузорий, далее по скорости следовал вариант 2 с одними
Рис. 3. Динамика средних концентраций метана, растворенного в газовой фазе, в эксперименте 2: 1 - метан, растворенный в варианте опыта с инфузориями, 2 - то же, в варианте с инфузориями и водорослями, 3 -метан газовой фазы в варианте опыта с инфузориями, 4 - то же, в варианте с инфузориями и водорослями; левая ось ординат - концентрация растворенного метана, правая - концентрация метана в газовой фазе.
мг/л мг/л
Рис. 4. Динамика средних концентраций восстановленного азота и биомассы бактерий в эксперименте 2: 1 -азот в варианте с инфузориями, 2 - то же, в варианте с инфузориями и водорослями, 3 - бактерии в варианте инфузории, 4 - то же, в варианте с инфузориями и водорослями; левая ось ординат - концентр
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.