БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2012, № 4, с. 11-16
^ ВОДНАЯ
МИКРОБИОЛОГИЯ
УДК 577.15.048
ВРЕМЯ ОБОРОТА ФОСФОРА И ЕГО АССИМИЛЯЦИЯ РАЗМЕРНЫМИ ФРАКЦИЯМИ МИКРОПЛАНКТОНА РАЗНОТИПНЫХ ОЗЕР
© 2012 г. В. В. Бульон
Зоологический институт РАН, 199034 Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 1, e-mail: vboulion@zin.ru Поступила в редакцию 11.01.2011 г.
С помощью радиоактивного изотопа 33P определено время оборота и скорость ассимиляции P микропланктоном (размер организмов >0.23 мкм) и его размерными фракциями (>1.5 мкм — условно фитопланктон и 0.23—1.5 мкм — условно бактериопланктон) ультраолиготрофного оз. Хубсугул (Монголия), олиготрофного ацидного оз. Школьное и мезотрофного темноводного оз. Костомояр-ви (Карелия), эвтрофного оз. Аннинское (Псковская обл.). Содержание в воде биологически доступного Р (BAP) определено радиобиологическим методом. Концентрация BAP в озерах изменялась от 1.3 до 36 мкг/л, скорость ассимиляции P — от 0.0087 до 0.32 мкг/(л • мин), время оборота BAP — от 19 до 1300 мин. В олиготрофном ацидном озере на долю бактериальной фракции приходилось 76—90% общей ассимиляции P, в эвтрофном озере — 10—20%, при этом соответственно возрастала ассимиляционная активность фитопланктона.
Ключевые слова: размерные фракции микропланктона, ассимиляция Р, время оборота Р, биологически доступный Р.
ВВЕДЕНИЕ
Биологическая продуктивность озерных экосистем зависит от концентрации в воде биогенных элементов. Фосфор, который может быть лимитирующим фактором, включается в трофическую сеть благодаря ассимиляционной активности фитопланктона и бактериопланктона. Оборачиваемость Р в микропланктоне, оцененная с помощью радиоактивного изотопа 32Р или 33Р, происходит очень быстро [12, 17]. Предполагают [3, 10, 11], что фитопланктон и бактериопланктон конкурируют за минеральный Р и в некоторых случаях бактерии отвечают за подавляющую часть его ассимиляции микропланктоном [8, 17]. По другим данным [5, 20], конкуренция за фосфатный Р ослабевает в присутствии растворенного органического Р, так как бактерии легко переключаются на эту форму субстрата. По-видимому, чрезмерная конкуренция с фитопланктоном невыгодна бактериям, так как они часто лимитированы по лабильному органическому углероду и зависят от углеродного обмена водорослей [4, 6].
Степень участия автотрофного и гетеротрофного микропланктона в ассимиляции Р связана с трофическими условиями в водоемах.
Цель работы — оценить скорость ассимиляции Р двумя фракциями микропланктона в озерах разной продуктивности.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили в летний период 1989—1995 гг. на четырех разнотипных озерах. Озеро Хубсугул (Монголия) — ультраолиготроф-ное с прозрачностью воды >15 м и содержанием хлорофилла в планктоне 0.2—0.4 мкг/л; оз. Школьное (Карелия) — олиготрофное, ацидное (рН 5.2— 5.9), прозрачность воды от 4 до 7 м, содержание хлорофилла 0.35—1.1 мкг/л; оз. Костомоярви (Карелия) — мезотрофное, гумифицированное, прозрачность воды 0.8—1.5 м, содержание хлорофилла 1.5—5.1 мкг/л; оз. Аннинское (Псковская обл.) — эвтрофное, с нейтральной реакцией воды, прозрачностью 2—3 м, содержанием хлорофилла 10— 20 мкг/л.
В опытах использовали озерную воду, отобранную с нескольких горизонтов (в оз. Хубсугул — от поверхности до глубины прозрачности, в остальных озерах — от поверхности до дна) и слитую в одну емкость. Оборачиваемость Р в микропланктоне определяли с помощью изотопа 33Р-РО4 с радиоактивностью 0.16 МБк, который вносили в склянки со 100 мл воды. После экспозиции пробы фиксировали раствором Люголя и фильтровали через мембранные фильтры разной плотности. Фильтры промывали 0.2%-ным раствором ортофосфорной кислоты. Радиоактивность планктона измеряли на
сцинтилляционном счетчике фирмы Beckmann. Поправку на абиотическое связывание 33Р вводили вычитанием радиоактивности фильтров после трехчасовой экспозиции проб, предварительно зафиксированных раствором Люголя. В расчетах использовали относительное значение радиоактивности микропланктона и его размерных фракций — отношение ассимилированного 33Р к внесенному в пробы воды (r/R).
При определении ассимиляции 33Р как функции времени пробы экспонировали при дневном освещении в течение 10, 30, 60, 120, 240 и 360 мин. Для осаждения планктона из озер Хубсугул и Школьное с малым содержанием взвешенных веществ по 50 мл пробы отфильтровывали через фильтр с размером пор 0.23 и 1.5 мкм. Для озер Ко-стомоярви и Аннинское с повышенным содержанием взвеси использовали фильтры с размером пор 0.4 и 2.5 мкм соответственно. Дифференциальная фильтрация позволяла выделить размерные фракции >0.23 или >0.4 мкм (микропланктон в целом), >1.5 или >2.5 мкм — условно фитопланктон, 0.23—1.5 или 0.4—2.5 мкм — условно бактерио-планктон.
Для определения ассимиляция 33Р как функции концентрации Р-РО4 в опытные склянки вносили одинаковую дозу 33Р и одновременно разное количество нерадиоактивного фосфатного Р: 0, 2, 4, 6 и 8 мкг/л. После шестичасовой экспозиции, когда достигалось изотопическое равновесие между водой и микропланктоном, пробы отфильтровывали на мембранные фильтры с размером пор 0.23 мкм (озера Хубсугул и Школьное) или 0.4 мкм (озера Костомоярви и Аннинское).
Скорость ассимиляции и экскреции P (соответственно Va и V, мкг/(л • мин) соответственно) рассчитывали по уравнениям
Va = К BAP,
Vr = kr MPP,
где ka и kr — константы скорости ассимиляции и экскреции, мин-1, BAP — концентрация растворенного биологически доступного Р, мкг/л, МРР — содержание P в микропланктоне, мкг/л.
Величину ka находили при анализе динамики ассимиляции 33Р клетками организмов (rt) как функцию времени t [2, 7, 12, 13] в экспоненциальном или биноминальном виде:
rt = r00(1 — exp(—kat/r00)),
rt = at2 + kat + c,
где rt — радиоактивность микропланктона в момент времени t, r00 — при изотопическом равновесии между микропланктоном и внешней средой, ka — константа скорости ассимиляции Р, c — сво-
бодный член. Зависимость rt от t представляли в графической форме (рис. 1). В каждом конкретном случае подбирали функцию, наиболее точно описывающую экспериментальные точки на графике.
При достижении изотопического равновесия, когда скорости ассимиляции и экскреции P равны (ka BAP = kr MPP), константу скорости выделения Р микропланктоном, согласно работе [19], можно рассчитать по уравнению
К = ka ((1 - r00)/r00).
По соотношению радиоактивности микропланктона (r00) и водной среды (1 - r00) при изотопическом равновесии оценивали во сколько раз содержание Р в одном из блоков выше, чем в другом:
MPP = BAP (roo/(1 - Гоо)).
ВАР определяли радиобиологическим методом по возрастанию величины, обратной радиоактивности микропланктона (1/r), в ответ на внесение в пробу известного количества нерадиоактивного фосфатного фосфора dPP, мкг/л [1]. Концентрацию ВАР рассчитывали на основе параметров уравнения (рис. 2)
1/r = a + b dPP, где BAP = a/b, dPP = BAP при 1/r = 0, a = 1/r при dPP = 0.
Скорости ассимиляции и выделения P авто-трофной фракцией микропланктона
(соответственно FpHP и FpHP, мкг/(л • мин) соответственно) оценивали по уравнению
VpHP = VPHP = kpHP BAP = kPHPPHP,
,P HP ,P HP „ _i
где ka и kr _ константы этих скоростей, мин1; PHP _ содержание P в фитопланктоне. Константу
/ PHP ззг»
ka определяли из зависимости ассимиляции 33Р
фитопланктоном от времени экспозиции (рис. 1), остальные параметры рассчитывали по уравнениям
PHP PHP PHP
kr = ka ((1 _ Гоо)/ Г00 ),
PHP = MPP( ¿НР /Гоо).
Для оценки содержания и скорости ассимиляции P в бактериальной фракции использованы уравнения
BCP = MPP _ PHP,
^CP = V - V™P
f a f a f a
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Примеры экспериментальных данных для исследованных озер представлены на рис. 1. Соглас-
ВРЕМЯ ОБОРОТА ФОСФОРА И ЕГО АССИМИЛЯЦИЯ
13
отн. ед.
Рис. 1. Зависимость относительной радиоактивности микропланктона (1) и фитопланктона (2) от времени экспозиции в озерах Хубсугул, Костомоярви, Школьное, Аннинское (а—г соответственно).
но рассмотренной выше теории ассимиляции радиоактивного P, величины roo для ультраолиго-трофного оз. Хубсугул и олиготрофного оз. Школьное означают, что 40—90% суммарного P (BAP + MPP) заключалось в микропланктоне и 10—60% присутствовало в форме BAP (табл. 1). На
„ PHP PHP ,
основании значений roo и roo /roo можно сделать вывод, что фракция фитопланктона включала в себя 11-48% суммарного Р (BAP + MPP) и 1760% Р, содержащегося в микропланктоне в целом (MPP = PHP + BCP). Время оборота BAP за счет совместной ассимиляционной активности фито- и бактериопланктона (t = 1/ka) варьировало от 37 до 208 мин. Время оборота Р среды только за счет
фитопланктона (tPHP = 1 /^HP) составляло 67— 1000 мин.
В эвтрофном оз. Аннинское микропланктон содержал от 25 до 69%, фракция фитопланктона — от 21 до 58% суммарного Р и от 68 до 95% Р, содержащегося в микропланктоне. Такое заключение
PHP PHP
сделано на основании величин roo, roo и roo /roo (табл. 1). Относительное содержание BAP в суммарном Р (1 — roo) составляло от 31 до 75%. Время
оборота BAP микропланктоном изменялось от 112 до 1300 мин.
Для мезотрофного оз. Костомоярви рассматриваемые параметры варьировали в широких границах: г00 = 0.15...0.69, ¿HP = 0.11...0.40, ¿HP/r00 = = 0.36.0.73, t = 31.1150 мин, tPHP = 53.1370 мин.
Концентрация BAP была экстремально низкой в озерах Хубсугул и Школьное и почти на порядок выше в эвтрофном оз. Аннинское. Мезотрофное оз. Костомоярви по значениям BAP занимало промежуточное положение (табл. 1).
Скорость ассимиляции Р микропланктоном (Va) варьировала в широких границах. Достоверных различий этого параметра в исследованных озерах не обнаружено.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Цикл Р в системе вода — микропланктон слагается из ассимиляции и выделения Р микропланктоном в целом и его составляющими — фито- и бактериопланктоном. Время оборота BAP за счет совместной ассимиляционной активности фито- и бактериопланктона свидетельствует о чрезвычай-
1/r 12
1/r
6
10
10
5
5
мкг/л
Рис. 2. Зависимость обратных величин относительной радиоактивности микропланктона от концентрации добавленного фосфатного P. Обозначения, как на
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.