ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 75, № 3, с. 234-244
УДК 579.266+574.583(285.2).'581
ПИКОЦИАНОБАКТЕРИИ В ЭВТРОФНЫХ ВОДОХРАНИЛИЩАХ СРЕДНЕЙ ВОЛГИ: ЧИСЛЕННОСТЬ, ПРОДУКЦИЯ, ВИРУСНАЯ
ИНФЕКЦИЯ
© 2014 г. А. И. Копылов, А. В. Романенко, Е. А. Заботкина, Н. М. Минеева,
И. Н. Крылова, Т. С. Масленникова
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 Ярославская обл., пос. Борок e-mail: kopylov@ibiw.yaroslavl.ru Поступила в редакцию 28.02.2013 г.
В летний сезон 2010 г. предприняты исследования обилия и продуктивности пикоцианобактерий в Горьковском и Чебоксарском водохранилищах. Установлено, что в эвтрофных водохранилищах Средней Волги численность и биомасса пикоцианобактерий, в среднем для столба воды, колебалась в пределах (34-322) х 103 кл/мл и 38-455 мг/м3, соответственно. В более продуктивном Чебоксарском водохранилище вклад пикоцианобактерий в общую биомассу и продукцию фитопланктона (соответственно 4.7 ± 0.7 и 8.3 ± 1.3%) был ниже, чем в менее продуктивном Горьковском (соответственно 10.6 ± 2.1 и 19.2 ± 3.0%). В водохранилищах обнаружена высокая зараженность пикоцианобактерий вирусами. Частота видимых инфицированных клеток и вирус-индуцированная смертность пикоцианобактерий в Чебоксарском водохранилище (3.2 ± 0.4% от общей численности и 21.8 ± 2.9% от суточной продукции) были существенно выше, чем в Горьковском (1.7 ± 0.2% от общей численности и 11.0 ± 1.7% от суточной продукции). Полученные результаты свидетельствуют, что в эвтрофных водохранилищах в период летнего "цветения" воды крупными цианобакте-риями вирусы играют существенную роль в регулировании численности пикоцианобактерий.
Автотрофный пикопланктон (одиночные циа-нобактерии и водоросли размером менее 2 мкм) присутствует во всех типах пресноводных экосистем (Stockner, 1991). В большинстве пресных водоемов концентрация пикоцианобактерий на порядок превышает таковую пиководорослей, и они являются основным компонентом автотроф-ного пикопланктона (Михеева, 1998). Пикоциано-бактерии (РС) вносят наибольший вклад в суммарную биомассу (BPH) и первичную продукцию (PPH) фитопланктона в олиготрофных озерах. В мезо- и эвтрофных водоемах их роль менее значительна. Однако в гипертрофных водоемах доля РС в Врн и Ррн вновь увеличивается (Nagata et al., 1994; Vörös et al., 1998; Bell, Kalff, 2001; Callieri, Stockner, 2002).
Пикоцианобактерии являются важным компонентом микробных пищевых сетей и интенсивно потребляются гетеротрофными нанофлагеллята-ми и инфузориями. Основная причина смертности пикоцианобактерий в водных экосистемах -выедание планктонными организмами (Callieri, Stockner, 2002). Гибель их также происходит в результате вирусного лизиса.
Впервые вирусная инфекция пикоцианобактерий была обнаружена в морских водах в начале 1990-х годов (Suttle et al., 1990; Proctor, Fuhrman, 1990). Последующие исследования показали, что в морских местообитаниях вирусами-цианофага-ми лизируется в сутки от 5 до 14% численности пикоцианобактерий (Suttle, Chan, 1994; Mann, 2003). Значение вирусов в контроле численности пикоцианобактерий в пресных водах изучено значительно хуже. В некоторых озерах обнаружена тесная корреляция между численностью планктонных вирусов и численностью пикоцианобак-терий, что указывает на присутствие в составе вириопланктона значительного количества виру-сов-цианофагов (Dorigo et al., 2004; Colombet et al., 2009). В одних исследованиях (Tijdens et al., 2008) показана незначительная роль вирусов-цианофагов в гибели пикоцианобактерий, в других (Personnic et al., 2009; Копылов и др., 2010) гибель пикоцианобактерий в результате вирусного лизиса оценивается величиной 10-21% от их общей смертности.
Цель работы - оценить уровень количественного развития пикоцианобактерий, их относи-
тельное значение в общей биомассе и продукции фитопланктона в высокопродуктивных Горьков-ском и Чебоксарском водохранилищах, а также выяснить роль вирусов в смертности пикоциано-бактерий в эвтрофных водохранилищах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Материал для исследования был собран в ходе работ комплексной экспедиции ИБВВ РАН во время рейса НЭС "Академик Топчиев" на 11 станциях в Горьковском водохранилище (21-24 июля 2010 г.) и 16 станциях в Чебоксарском водохранилище (25-28 июля 2010 г.) (табл. 1, 2). Пробы воды отбирали батометром Руттнера через 1 м от поверхности до дна. Анализировали интегральные пробы воды.
Численность пикоцианобактерий (РС) определяли методом эпифлуоресцентной микроскопии по автофлуоресценции пигментов в их клетках (MacIsaac, Stockner, 1993). Для этого 5-15 мл воды фильтровали через черный ядерный фильтр Nuclepore (США) с диаметром пор 0.2 мкм. Клетки РС подсчитывали на фильтрах с помощью эпифлуоресцентного микроскопа Olympus BX51 (Япония) с системой анализа изображений. Отдельно считали клетки, находящиеся в стадии деления. На каждом фильтре считали 100-200 и измеряли не менее 50 клеток. Сырую биомассу РС получали путем умножения численности на средний объем клеток и затем пересчитывали в
единицы углерода с использованием коэффициента 200 фемтограмм С/мкм3 (Weisse, 1993).
Для оценки удельной скорости роста (ц) пикоцианобактерий использовали следующее уравнение: ц = (1/td) ln (1 + f), где td - продолжительность деления клетки, f - частота делящихся клеток (% от общей численности) (McDuff, Chisholm, 1982). Принимали, что td, в среднем для пикоцианобактерий, составляет 3 ч (Campbell, Carpenter, 1986). Продукцию пикоцианобактерий определяли как произведение их удельной скорости роста и биомассы.
Для определения частоты отчетливо видимых инфицированных вирусами пикоавтотрофов (Frequency of visibly infected cells (FVIC), % от общего количества пикоцианобактерий) и среднего количества зрелых фагов в инфицированных клетках (Burst size (BS), частиц/кл) использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Вирусы и пикоцианобактерии осаждали центрифугированием при 100 000g (35 000 об/мин) в течение 1 ч при 4 °С с использованием ультрацентрифуги OPTIMA L-90k (Beckman Coulter, США) c ротором 45Ti на никелевые сеточки для электронной микроскопии плотностью 400 ме-шей, покрытые пиолоформом с угольным напылением. Сеточки просматривали в электронном микроскопе JEM 1100 (Jeol, Япония) при увеличении 50 000-150 000. Инфицированными считали клетки пикоавтотрофов, содержащие пять и более зрелых фагов.
Таблица 1. Характеристика исследованных станций Горьковского водохранилища
Станция Координаты Глубина, м Температура, оС* Прозрачность, см Chl a, мкг/л РРН, мг С/(м2Хсут)
с.ш. в.д.
1. Выше г. Ярославля 57о42' 39о49' 4.5 25.5/25.0 110 9.5 328
2. Ниже г. Ярославля 57о33' 40о07' 5.0 26.0/26.0 110 7.5 245
3. Ниже г. Кр. Профин- 57о45' 40о28' 4.5 27.0/27.0 100 17.0 393
терн
4. Против устья р. Сизема 57047' 40о42' 7.9 27.0/27.0 80 13.5 892
5. Ниже г. Костромы 57о41' 40о59' 5.0 27.0/27.0 110 15.7 453
6. Ниже г. Плес 57о27' 41о34' 13.0 27.5/27.0 100 16.5 1936
7. Ниже г. Кинешма 57о46' 42о14' 15.0 29.0/27.0 120 10.0 1963
8. Против устья р. Унжа 57о22' 43о13' 8.0 27.0/23.0 70 14.3 2699
9. Ниже г. Юрьевец 57о21' 43о12' 11.0 27.0/24.0 120 32.0 2923
10. Против г. Пучеж 56о59' 43о12' 12.0 30.0/23.0 60 28.1 2202
11. Ниже г. Чкаловска 57о41' 43о20' 16.0 33.0/26.0 80 7.4 706
Примечание. СЫ а - содержание хлорофилла а, в среднем для столба воды, Ррн - первичная продукция фитопланктона под единицей площади водоема.
* Температура воды на поверхности/у дна.
Таблица 2. Характеристика исследованных станций Чебоксарского водохранилища
Станция Координаты Глубина, м Температура, оС* Прозрачность, см Chl a, мкг/л Р rPH> мг С/(м2Хсут)
с.ш. в.д.
1. г. Н. Новгород 56о21' 43о56' 5.0 27.5/27.5 100 47.3 762
2. Ниже г. Н. Новгород** 56о16' 44о09' 6.0 25.0/25.0 110 27.2 1169
3. Ниже г. Н. Новгород*** 56о16' 44о08' 8.0 26.0/26.0 110 67.3 4338
4. г. Кстов** 56о09' 44о14' 2.5 27.0/27.0 80 66.5 1608
5. г. Кстов*** 56о09' 44о13' 8.0 28.0/28.0 70 65.9 2583
6. Выше устья р. Керже- 56о04' 45о00' 3.5 27.5/27.5 90 44.9 2737
нец
7. г. Лысково** 56о05' 45о04' 10.0 28.0/28.0 90 38.6 5116
8. г. Лысково*** 56о04' 45о05' 5.5 28.0/28.0 90 32.7 4167
9. Выше устья р. Сура 56о06' 45о59' 4.0 27.2/27.2 50 38.6 1206
10. г. Васильсурск** 56о08' 45о59' 12.0 28.0/27.2 110 36.7 10 964
11. г. Васильсурск*** 56о08' 46о00' 9.0 28.0/27.2 110 20.1 3292
12. Выше устья р. Вет- 56о18' 46о22' 7.0 29.0/25.0 100 33.2 3830
луга
13. Выше устья р. Вет- - - 4.5 28.5/27.0 60 108.2 1492
луга
14. г. Козьмодемьянск 56о20' 46о35' 9.0 27.0/27.0 180 6.8 741
15. г. Чебоксары 56о08' 47о23' 15.0 27.0/26.5 190 7.5 1077
16. г. Ильинка 56о11' 46о50' 16.0 29.0/27.0 60 16.9 1063
Примечание. СЫ а - содержание хлорофилла а, в среднем для столба воды, Ррн - первичная продукция фитопланктона под единицей площади водоема.
Ф гтп / ¡К:!: Г- г-
Температура воды на поверхности/у дна. У левого берега. У правого берега.
Цикл вирусной литической инфекции клетки цианобактерии может быть разделен на две стадии: латентный период и лизис. Латентный период - время от начала заражения клетки до лизиса. Однако зрелые фаги появляются в клетке только перед лизисом, т.е. большую часть латентного периода вирусы остаются невидимыми. Доля (%) инфицированных клеток с видимыми зрелыми вирусами-цианофагами в общей численности пикоцианобактерий оценивается как частота видимых инфицированных клеток (FVIC). Время от начала инфекции до первого появления хорошо видимых, зрелых цианофагов называется эклипс-периодом. Четкие зрелые цианофаговые частицы присутствуют в инфицированных клетках от конца эклипс-периода до лизиса. Таким образом, доля всех инфицированных клеток (частота инфицированных клеток, FIC) в популяции пикоцианобактрий существенно выше. Проктор и Фурман (Proctor, Fuhrmann, 1990) предложили оценивать FIC как произведение FVIC и отношения длительности эклипс-периода к длительности латентного периода.
Для расчета смертности микроорганизмов, связанной с вирусным лизисом, точнее - доли
смертности бактерий в результате вирусного лизиса (FMVL) в общей гибели бактерий, Биндер (Binder, 1999
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.